波導旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是工程中經(jīng)常用到的微波器件，目前工程中使用的均為同軸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，或圓波導式關(guān)節(jié)，其工作模式分別為TEM模和TE11模。本文介紹一種用于某雷達工程中的波導旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的基本原理及設計方法。

　　1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設計

　　圓波導中傳輸?shù)母叽尾ㄐ蚑M01模，其場型結(jié)構(gòu)如圖1所示。從場型分布可以看出：電場與圓周處"垂直旋轉(zhuǎn)對稱，相位穩(wěn)定"。根據(jù)圓波導的設計原理，初步選取波導尺寸，并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(jù)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(zhuǎn)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(guān)節(jié)的兩端各加一個短路圓筒，選取短路圓筒的直徑D1稍小于D2。根據(jù)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(guān)系式：

　　當選取尺寸后，將圓筒串聯(lián)接于矩形波導與圓形波導構(gòu)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(guān)系式：

　　這樣，一個波導式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)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件進行仿真計算，調(diào)整選取適當?shù)某叽缃?jīng)改變圓波導與標準矩形波導加入階梯式過渡段，調(diào)整耦合孔徑大小及位置，便可計算獲得滿足或高于工程所提技術(shù)指標要求。

　　需要注意的是與圓波導連接的矩形波導的尺寸，以及他的端口距關(guān)節(jié)中心的距離的選取，對于改善關(guān)節(jié)的駐波與增加帶寬十分重要，設計時應多加觀察。

　　2仿真結(jié)果

　　TM01模波導耦合式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對帶寬為4％時仿真設計的結(jié)果如下：

　　仿真設計關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，設置其端口輸入的功率為1 MW，所得到的關(guān)節(jié)內(nèi)部場強分布如圖3所示，端口駐波曲線如圖4所示，插入損耗曲線如圖5所示。

　　3結(jié)果分析

　　3.1加工誤差分析

　　在仿真關(guān)節(jié)的關(guān)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(jié)果變化僅在-27±1 dB范圍以內(nèi)。這表明加工誤差在允許范圍內(nèi)，對其性能影響不大。

　　3.2仿真與實物結(jié)果分析

　　仿真確定關(guān)節(jié)尺寸，加工成實物后，則對其實物進行性能測試，實測結(jié)果反射損耗曲線見圖6，插入損耗曲線如圖7所示。在相對帶寬8.1％的范圍內(nèi)，實測結(jié)果與仿真結(jié)果十分吻合。

　　4結(jié)語

　　由這種方法設計出的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在仿真計算上比較容易建立起模型，而且用仿真軟件可以方便地求得關(guān)節(jié)兩端口間的夾角分別在任意角度的各項性能參數(shù)，從而設計出具有耐高功率，相位穩(wěn)定和低損耗特點的波導旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。通過使用ANSOFT公司的HFSS軟件對用上述方法設計出的波導旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進行仿真計算后，根據(jù)仿真尺寸所加工出的實物，對其測試后所得數(shù)據(jù)與仿真所得數(shù)據(jù)基本一致，滿足工程需要。