徐 卓 徐謖欽賴 平 曾 璐

（1.武警廣西總隊(duì)參謀部 南寧 530031）（2.91497部隊(duì) 寧波 315000）（3.32382部隊(duì) 武漢 430311）

1 引言

波導(dǎo)因其反射損耗小、傳輸衰減低、功率容量高、易于與同軸線纜匹配，廣泛應(yīng)用于Ku衛(wèi)星通信中［1～3］。通常針對(duì)其帶內(nèi)傳輸與反射特性開展研究［4～12］，對(duì)于其低頻帶外抑制特性分析的文獻(xiàn)未見公開報(bào)道。事實(shí)上，同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭的低頻帶外抑制特性直接影響Ku衛(wèi)通低頻帶外雜散發(fā)射與接收。特別是，良好的低頻帶外抑制特性可阻止帶外雜散發(fā)射信號(hào)進(jìn)入衛(wèi)通設(shè)備，避免帶外雜散發(fā)射信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)入中頻設(shè)備，從而引起電磁兼容問題。

Ku衛(wèi)通同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭的低頻帶外抑制能力通?？蛇_(dá)-150dB，帶外與帶內(nèi)特性同時(shí)仿真時(shí)，對(duì)電磁仿真軟件的計(jì)算精度提出極高的要求。與此同時(shí)，常規(guī)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量精度約為-100dBm，難以精確測(cè)量Ku衛(wèi)通同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭的低頻帶外抑制特性。

本文針對(duì)Ku同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭帶外抑制特性，在仿真軟件和測(cè)試儀器精度允許的范圍內(nèi)，通過(guò)仿真與測(cè)試，分析了其帶外抑制特性，結(jié)果吻合較好。進(jìn)一步地，預(yù)測(cè)了附加150mm波導(dǎo)管后的低頻帶外抑制特性，對(duì)評(píng)估不同長(zhǎng)度Ku同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭帶外抑制特性具有重要的參考價(jià)值。

2 波導(dǎo)初步仿真

衛(wèi)通天線射頻端通常采用矩形波導(dǎo)，長(zhǎng)、寬分別約為19mm、9.5mm，與BJ120標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的主要參數(shù)相吻合［2］，如表1所示。

根據(jù)表1建立了矩形波導(dǎo)仿真模型。

表1 BJ120標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)主要參數(shù)表

1）CST實(shí)體模型

如圖1（a）所示，為在CST仿真軟件中建立的仿真模型，波導(dǎo)的背景材料為空氣，且為吸收邊界條件，采用時(shí)域求解器。圖1（b）為仿真結(jié)果，波導(dǎo)管呈現(xiàn)高通特性。隨著波導(dǎo)管長(zhǎng)度的增大，反射特性變化較小，低頻阻帶效果逐漸變好。

圖1 CST中實(shí)體建模及仿真結(jié)果

2）CST等效模型

在CST中建立等效模型，背景材料為PEC，波導(dǎo)內(nèi)部材料為空氣，如圖2所示，采用頻域求解器?？梢悦黠@看出波導(dǎo)在TE10模的截止頻率為7.87GHz。

圖2 CST中等效仿真模型（3GHz～10GHz）

3）HFSS實(shí)體模型

在HFSS中建立實(shí)體模型，端口為waveport，如圖3所示，仿真結(jié)果與圖2類似。

圖3 HFSS實(shí)體模型

上述三種仿真方法出現(xiàn)差異的主要原因有：為了求解的高效，圖1中CST采用了時(shí)域求解器，然而頻帶過(guò)寬，所以誤差較大。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證圖1背景材料為PEC建模和圖2實(shí)體建模結(jié)果是一樣的，因此，盡管前者在建模、仿真效率等上有優(yōu)勢(shì)，但不符合實(shí)際情況。與此同時(shí)，HFSS采用的是頻域求解器，計(jì)算結(jié)果更為合理一些。為更進(jìn)一步核實(shí)該問題，CST、HFSS的求解頻帶為3GHz～5GHz，推導(dǎo)矩形波導(dǎo)的理論衰減公式為

特別需要注意的是，3GHz～5GHz在波導(dǎo)的截止頻率以下，β應(yīng)該為負(fù)的純虛數(shù)。

對(duì)于最低次主模式TE10(m=1,n=0)，計(jì)算得不同距離的衰減如圖4所示，結(jié)果整理于表2，波導(dǎo)長(zhǎng)度變化在25mm～100mm的范圍內(nèi)，理論計(jì)算、CST、HFSS均吻合較好，隨著長(zhǎng)度的進(jìn)一步增大，軟件由于受到收斂精度的影響，誤差逐漸增大。

圖4 CST、HFSS實(shí)體建模及仿真結(jié)果（3GHz～5GHz）

表2 BJ120標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)3GHz時(shí)的衰減（19mm、9.5mm）

3 波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)接頭仿真分析

建立I型波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)接頭仿真模型，如圖5所示，帶內(nèi)（12GHz～13GHz）同軸端具有良好的傳輸和反射特性，帶外（2.5GHz～4.5GHz）同軸端輸入電磁波進(jìn)入波導(dǎo)，但不再?gòu)牟▽?dǎo)端輸出，能量主要“存貯”于波導(dǎo)中。

圖5 I型轉(zhuǎn)接頭仿真結(jié)果

將上述兩型波導(dǎo)連接起來(lái)，如圖6所示，帶內(nèi)具有較好的反射特性、傳輸特性，帶外入射能量全部返回且隔離度較高。

圖6 兩個(gè)轉(zhuǎn)接頭合在一起仿真結(jié)果

需特別說(shuō)明的是，帶轉(zhuǎn)接頭的波導(dǎo)尺寸均為19.05mm、9.225mm。根據(jù)前述仿真結(jié)果，I型、II型轉(zhuǎn)接頭、I型+II型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接頭的帶外（3.2GHz）插損（S12）分別為-33dB、-54.2dB、-92.2dB。經(jīng)測(cè)量，衛(wèi)通天線上的U形波導(dǎo)長(zhǎng)度約為150mm，由于受到軟件仿真、儀器測(cè)量精度的限制，將上述3個(gè)器件一同分析，既仿不準(zhǔn)，又測(cè)不準(zhǔn)。因此，在I型+II型轉(zhuǎn)接頭之間再附加一段波導(dǎo)，通過(guò)調(diào)整附加波導(dǎo)的長(zhǎng)度，盡量控制總插損在-150dB以內(nèi)，以評(píng)估3個(gè)器件一同使用時(shí)的帶外（3.2GHz）特性。其仿真結(jié)果如圖7所示（其中預(yù)測(cè)是指由附加波導(dǎo)理論計(jì)算結(jié)果加上I型轉(zhuǎn)接頭，以及II型轉(zhuǎn)接頭衰減之后的結(jié)果），總結(jié)如表3所示。

表3 衛(wèi)通用波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭分析表（3.2GHz）

圖7 I型+II型轉(zhuǎn)接頭調(diào)整附加波導(dǎo)長(zhǎng)度仿真結(jié)果

4 波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)接頭測(cè)試分析

如圖8所示為I型+II型轉(zhuǎn)接頭的S21理論計(jì)算、仿真和測(cè)試數(shù)結(jié)果，其中測(cè)試為I型與II型轉(zhuǎn)接頭互連并分別連接矢網(wǎng)信號(hào)通道。理論計(jì)算僅計(jì)算了63mm波導(dǎo)的衰減，即沒有考慮同軸饋電的損耗。理論計(jì)算、仿真和測(cè)試結(jié)果吻合較好，兩型轉(zhuǎn)接頭具有良好的帶內(nèi)傳輸與帶外抑制特性。

圖8 I型+II型轉(zhuǎn)接頭結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了Ku衛(wèi)通兩型同軸-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭的仿真模型，分析了其帶內(nèi)傳輸（12GHz～13GHz）和帶外抑制（2.5GHz～4.5GHz）特性。結(jié)果表明，兩型轉(zhuǎn)接頭帶外（3.2GHz）插損分別為-33dB、-54.2dB，總插損-92.2dB，理論、仿真、測(cè)試結(jié)果吻合較好。