梁鐵柱，黃文華，朱四桃，房金鵬，江 紅，鄧廣淑，王 穎，李佳偉

（1.高功率微波技術重點實驗室，西安710024；2.西北核技術研究所，西安710024；3.零八一集團華昌電子有限公司，廣元628000）

一種無焊縫軟圓波導仿真與測試

梁鐵柱1，2，黃文華1，2，朱四桃1，2，房金鵬1，2，江 紅3，鄧廣淑3，王 穎1，2，李佳偉1，2

（1.高功率微波技術重點實驗室，西安710024；2.西北核技術研究所，西安710024；3.零八一集團華昌電子有限公司，廣元628000）

采用光壁銅管直接壓制的方法，研制了一種高功率微波無焊縫軟圓波導，作為高功率微波源與發(fā)射平臺之間的軟連接饋線器件。仿真和測試結果表明，在滿足端面二維方向移動范圍大于5mm的要求下，該軟圓波導的微波傳輸電壓駐波系數(shù)小于1.1，傳輸圓波導TE11模和TM01模的模式畸變率均小于0.1dB，插入損耗小于0.15dB，功率容量大于3GW，滿足高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)應用要求。

高功率微波；功率容量；軟圓波導；插入損耗

高功率微波源與發(fā)射平臺之間的連接饋線主要由直波導、模式轉換器和喇叭饋源［1-3］組成。現(xiàn)有饋線之間的連接多為硬連接，存在的主要問題有：1）饋線連接器件之間的應力無法消除；2）發(fā)射平臺的振動容易傳導至饋線和微波源產(chǎn)生器件，導致系統(tǒng)真空下降，微波傳輸饋線損壞及微波不穩(wěn)定；3）微波源和平臺車對接困難。因此，如何將饋線之間的連接由硬連接變?yōu)檐涍B接，是現(xiàn)有高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)亟待解決的一個問題。

1 圓波導軟連接形式簡介

圓波導軟連接形式多樣［4-6］，波紋軟波導是其中主要連接形式之一。波紋軟波導通常有3種形式：互鎖型螺旋圓軟波導、銅帶焊接成圓管的螺旋式軟波導和無焊縫光壁銅管成型的軟圓波導［7］。互鎖型螺旋圓軟波導如圖1所示，它具有良好的彎曲性能，能夠傳輸圓波導TE11模和TM01模。但在互鎖處結構不平滑，功率容量低，真空密封性能差。因此，互鎖型螺旋圓軟波導不滿足高功率微波傳輸反射應用需求。

銅帶焊接成圓管的螺旋式軟波導如圖2所示。該軟波導具有優(yōu)良的機械彎曲性能和微波傳輸性能，但由于焊接處不均勻，同樣存在功率容量低和真空密封性差等缺點。

無焊縫光壁銅管成型的軟圓波導如圖3所示。該軟圓波導采用銅管直接壓制，不存在焊縫，功率容量相對較高，真空密封性相對較好，機械性能可滿足高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)軟連接要求。因此，本文以無焊縫軟圓波導為研究對象，對其傳輸性能和功率容量進行了仿真和測試。

2 微波傳輸性能仿真

常用高功率微波圓波導直徑為50mm，工作頻率為X波段，中心頻率為9.7GHz，帶寬為100MHz，能夠傳輸TE11、TM01、TE21、TE01和TM21等5個模式。只要有結構上的不連續(xù)，就有可能微弱地激化出高次模TM01、TE21、TE01和TM21。這種微弱的激化稱為模式畸變。

當波紋軟圓波導傳播TE11模時，TE11模有可能微弱地畸變。當傳播TM01模時，TM01模也有可能微弱地畸變，并在軸向具有微弱的場變化時，可能出現(xiàn)TE21模和TM21模。從工程應用角度考慮，微弱的畸變應控制在可接受范圍內(nèi)。

無焊縫軟圓波導采用正弦曲線結構，其紋深t和截距τ在滿足微波傳輸性能的條件下經(jīng)過優(yōu)化為

采用全波仿真軟件計算長度為200mm的無焊縫軟圓波導的傳輸參數(shù)，仿真模型如圖4所示。在無彎折狀態(tài)下，長度為200mm的無焊縫軟圓波導的傳輸系數(shù)S21隨頻率f的變化如圖5所示。由圖5可見，水平極化TE11模和TM01模的插入損耗（－lgS21）均小于0.02dB，表明在無彎折狀態(tài)下，無焊縫軟圓波導不會影響微波TE11模和TM01模的傳輸。

長度為200mm無焊縫軟圓波導兩端口端面軸向距離相差5mm，即均勻彎折5mm狀態(tài)下的傳輸系數(shù)S21隨頻率的變化關系如圖6所示。由圖6可見，水平極化模TE11模（TE‖11）、垂直極化TE11模（TE⊥11）和TM01模的插入損耗（－lgS21）均小于0.05dB。

此外，還計算得到長度為400mm的無焊縫軟圓波導均勻彎折10mm和長度為600mm的無焊縫軟圓波導均勻彎折20mm時，TE11模和TM01模的插入損耗（－lgS21）均小于0.1dB。因此，認為無焊縫軟圓波導在正常狀態(tài)（無彎折）和二維方向適度均勻彎折的情況下，對高功率微波TE11模和TM01模的傳輸影響均較小，滿足高功率微波傳輸要求。

3 場分布仿真

圖7和圖8分別是長度為200mm無焊縫軟圓波導在無彎折狀態(tài)下，傳輸垂直極化TE11模和TM01模的場分布剖面圖。由圖7和圖8可知，饋入功率為0.5W，無焊縫軟圓波導傳輸TE11模和TM01的最大場強分別為663V·m－1和478V·m－1。

圖9和圖10分別是長度為200mm的無焊縫軟圓波導，在均勻彎折5mm狀態(tài)下傳輸垂直極化TE11模和TM01模的場分布剖面圖。

由圖9和圖10可知，傳輸功率為1WTE11模的最大場強為1 236V·m－1；傳輸功率為1WTM01模的最大場強為1 143V·m－1。該軟圓波導由于彎折引起的TE11模和TM01模場增強因子分別為1.3和1.8。

綜合上述場分布仿真結果，可以推算出無焊縫軟圓波導在傳輸功率為3GW時，傳輸TE11模和TM01模的最高場強為610kV·cm－1。根據(jù)現(xiàn)有實驗結果，在高真空情況下，金屬射頻擊穿場強閾值為650kV·cm－1。因此，無焊縫軟圓波導可滿足3GW功率容量要求。

4 傳輸性能測試

4.1 測試方法

在傳輸信號為毫瓦量級的連續(xù)波情況下，測試無焊縫軟圓波導的端口電壓駐波系數(shù)、傳輸系數(shù)S21和TE11模、TM01模的模式畸變率。

微波頻率在9.7GHz±50MHz范圍內(nèi)，采用圖11所示的實驗裝置進行測量。

首先，在沒有無焊縫軟圓波導的情況下，調(diào)節(jié)調(diào)配器，使矢量網(wǎng)絡分析儀測量的駐波系數(shù)小于1.02。然后，將無焊縫軟圓波導接入圖11所示的測量系統(tǒng)，測量軟圓波導傳輸TE11模或TM01模的電壓駐波系數(shù)。

軟圓波導的S21和模式畸變率測量系統(tǒng)，如圖12所示。

其測量步驟為

1）矢網(wǎng)調(diào)整至規(guī)定的頻率范圍9.7GHz± 50MHz內(nèi)，系統(tǒng)處于正常的駐波系數(shù)測量狀態(tài)；

2）采用圓波導TE11模激勵器，BB移至AA，調(diào)整調(diào)配器，使系統(tǒng)的駐波系數(shù)小于1.02；

3）采用帶SMA負載，系統(tǒng)處于測量功率狀態(tài)。旋轉帶SMA負載，尋找圓波導TE11模的最大值，記下功率P1，dBm。接入無焊縫軟圓波導，BB移至圖12所示位置。旋轉帶SMA負載，尋找TE11模的最大值，記下功率P2，dBm，同時尋找次大值，記下功率P3，dBm。軟圓波導傳輸TE11模的S21為

軟圓波導TE11模的模式畸變率為

4）模式激勵器采用圓波導TM01模激勵器，BB移至AA，調(diào)整調(diào)配器，使系統(tǒng)的駐波系數(shù)小于1.02；

5）采用帶SMA負載，使系統(tǒng)處于測量功率狀態(tài)。旋轉帶SMA負載，每30°角測試一個功率電平值Pi，共記錄12個Pi，按式（4）計算功率平均值

6）接入無焊縫軟圓波導，系統(tǒng)還原到圖12所示狀態(tài)，重復步驟6），按式（6）計算功率平均值

7）無焊縫軟圓波導TM01模的S21為

無焊縫軟圓波導TM01模的模式畸變率為

4.2 性能測試結果

加工完成的長度為200mm的無焊縫軟圓波導如圖13所示，其微波傳輸性能測試結果分別如圖14和圖15所示。

測試結果表明，無焊縫軟圓波導的駐波系數(shù)小于1.1，傳輸圓波導TE11模和TM01模的模式畸變率均小于0.1dB；插入損耗小于0.15dB，滿足現(xiàn)有高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)對波導軟連接的需求。

［1］梁鐵柱，黃文華，田唯仁，等.高功率容量波束波導設計與模擬研究［C］／／全國微波與毫米波會議論文集（上冊），上海，2011：1 573 1 576.（LIANG Tie－zhu，HUANG Wen－h(huán)ua，TIAN Wei－ren，et al.Design and simulation of high power microwave beam waveguide［C］／／Microwave and Millimeter Wave Conference，2011：1 573 1 576.）

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Simulation and Test of a Corrugated Flexible Circular Waveguide Without a Soldering Slot

LIANG Tie－zhu1，2，HUANG Wen－h(huán)ua1，2，ZHU Si－tao1，2，F(xiàn)ANG Jin－peng1，2，JIANG Hong3，DENG Guang－shu3，WANG Ying1，2，LI Jia－wei1，2
（1.Science and Technology on High Power Microwave Laboratory，Xi'an 710024，China；2.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；3.Huachang Electronic Ltd of 081Group，Guangyuan 628000，China）

A corrugated flexible circular waveguide was fabricated to link the HPM source and the transmission system.The simulation and test on the performance of the waveguide shows that，with the shift range of 5mm，the waveguide has a power capacity more than 3 GW，an insertion loss less than 0.15dB，and a VSWR lower than 1.1.For TE11and TM01mode，the mode aberration is less than 0.1dB.The fabricated waveguide satisfies the requirements for the HPM transmission system.

high power microwave；power capacity；corrugated flexible waveguide；insertion loss

TN814

A

2095 6223（2015）03 197 05

2015 05 05；

2015 07 16

梁鐵柱（1981－），河南睢縣人，助理研究員，碩士，主要從事高功率微波傳輸與發(fā)射技術研究。

E－mail：liangtiezhu＠nint.ac.cn