圓波導耦合TM01模旋轉關節仿真設計

　　波導旋轉關節是工程中經常用到的微波器件，目前工程中使用的均為同軸式旋轉關節，或圓波導式關節，其工作模式分別為TEM模和TE11模。本文介紹一種用於某雷達工程中的波導旋轉關節的基本原理及設計方法。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/192141.htm

　　1旋轉關節的設計

　　圓波導中傳輸的高次波型TM01模，其場型結構如圖1所示。從場型分布可以看出：電場與圓周處垂直旋轉對稱，相位穩定。根據圓波導的設計原理，初步選取波導尺寸，並在圓波導兩端對稱地開孔，選取合適的孔徑尺寸，使圓波導中的TM01模被矩形波導中的TE10模所激勵，這是因為矩形波導中TE10模的磁場與TM01模的磁場方向一致。根據波導傳輸耦合原理，在圓波導中心適當部位選擇截面縫隙作為扼流槽，即為轉動部位。槽寬約為0.01λ，高度與長度約為 λ／4，λ是工作波長。

　　圓波導中的TM01模不是其最低模式，還有TE11模與他可以同時存在，所以我們要設法抑制矩形波導TE10模激勵出圓波導中的TE11模。抑制方法是可以在關節的兩端各加一個短路圓筒，選取短路圓筒的直徑D1稍小於D2。根據TE11模與TM01模在短路圓筒中各有不同的波導波長，可以選取短路圓筒的長度L1滿足以下關係式：

　　當選取尺寸後，將圓筒串聯接於矩形波導與圓形波導構成的主線上，則3/4λ(TE11)的短路線的輸入阻抗為無窮大， 1/2λg(TM01)短路線的輸人阻抗為零，因此可將TE11模反射，讓TM01模通過，從而起到了抑制TE11模的作用。

　　為了抑制與TM01模最鄰近的高次模TE21模，我們還要對圓波導的直徑D2有所限制，使他滿足以下關係式：

　　這樣，一個波導式旋轉關節各部位的尺寸就可以初步選定。以選定的尺寸通過使用高頻仿真軟體進行仿真計算，調整選取適當的尺寸經改變圓波導與標準矩形波導加入階梯式過渡段，調整耦合孔徑大小及位置，便可計算獲得滿足或高於工程所提技術指標要求。

　　需要注意的是與圓波導連接的矩形波導的尺寸，以及他的埠距關節中心的距離的選取，對於改善關節的駐波與增加帶寬十分重要，設計時應多加觀察。

　　2仿真結果

　　TM01模波導耦合式旋轉關節相對帶寬為4％時仿真設計的結果如下：

　　仿真設計關節的結構形式如圖2所示，設置其埠輸入的功率為1 MW，所得到的關節內部場強分布如圖3所示，埠駐波曲線如圖4所示，插入損耗曲線如圖5所示。

　　3結果分析

　　3.1加工誤差分析

　　在仿真關節的關鍵部位，改變耦合孔尺寸，考慮加工耦合孔確保精度較難，故對孔尺寸稍作改變，增加或減小0.2～0.4 mm。觀察計算結果變化僅在-27±1 dB範圍以內。這表明加工誤差在允許範圍內，對其性能影響不大。