Ku同轴-波导转接头带外抑制特性分析*

徐 卓 徐谡钦赖 平 曾 璐

（1.武警广西总队参谋部 南宁 530031）（2.91497部队 宁波 315000）（3.32382部队 武汉 430311）

1 引言

波导因其反射损耗小、传输衰减低、功率容量高、易于与同轴线缆匹配，广泛应用于Ku卫星通信中［1～3］。通常针对其带内传输与反射特性开展研究［4～12］，对于其低频带外抑制特性分析的文献未见公开报道。事实上，同轴-波导转接头的低频带外抑制特性直接影响Ku卫通低频带外杂散发射与接收。特别是，良好的低频带外抑制特性可阻止带外杂散发射信号进入卫通设备，避免带外杂散发射信号进一步进入中频设备，从而引起电磁兼容问题。

Ku卫通同轴-波导转接头的低频带外抑制能力通常可达-150dB，带外与带内特性同时仿真时，对电磁仿真软件的计算精度提出极高的要求。与此同时，常规矢量网络分析仪的测量精度约为-100dBm，难以精确测量Ku卫通同轴-波导转接头的低频带外抑制特性。

本文针对Ku同轴-波导转接头带外抑制特性，在仿真软件和测试仪器精度允许的范围内，通过仿真与测试，分析了其带外抑制特性，结果吻合较好。进一步地，预测了附加150mm波导管后的低频带外抑制特性，对评估不同长度Ku同轴-波导转接头带外抑制特性具有重要的参考价值。

2 波导初步仿真

卫通天线射频端通常采用矩形波导，长、宽分别约为19mm、9.5mm，与BJ120标准矩形波导的主要参数相吻合［2］，如表1所示。

根据表1建立了矩形波导仿真模型。

表1 BJ120标准矩形波导主要参数表

1）CST实体模型

如图1（a）所示，为在CST仿真软件中建立的仿真模型，波导的背景材料为空气，且为吸收边界条件，采用时域求解器。图1（b）为仿真结果，波导管呈现高通特性。随着波导管长度的增大，反射特性变化较小，低频阻带效果逐渐变好。

图1 CST中实体建模及仿真结果

2）CST等效模型

在CST中建立等效模型，背景材料为PEC，波导内部材料为空气，如图2所示，采用频域求解器。可以明显看出波导在TE10模的截止频率为7.87GHz。

图2 CST中等效仿真模型（3GHz～10GHz）

3）HFSS实体模型

在HFSS中建立实体模型，端口为waveport，如图3所示，仿真结果与图2类似。

图3 HFSS实体模型

上述三种仿真方法出现差异的主要原因有：为了求解的高效，图1中CST采用了时域求解器，然而频带过宽，所以误差较大。经过验证图1背景材料为PEC建模和图2实体建模结果是一样的，因此，尽管前者在建模、仿真效率等上有优势，但不符合实际情况。与此同时，HFSS采用的是频域求解器，计算结果更为合理一些。为更进一步核实该问题，CST、HFSS的求解频带为3GHz～5GHz，推导矩形波导的理论衰减公式为

特别需要注意的是，3GHz～5GHz在波导的截止频率以下，β应该为负的纯虚数。

对于最低次主模式TE10(m=1,n=0)，计算得不同距离的衰减如图4所示，结果整理于表2，波导长度变化在25mm～100mm的范围内，理论计算、CST、HFSS均吻合较好，随着长度的进一步增大，软件由于受到收敛精度的影响，误差逐渐增大。

图4 CST、HFSS实体建模及仿真结果（3GHz～5GHz）

表2 BJ120标准矩形波导3GHz时的衰减（19mm、9.5mm）

3 波导-同轴转接头仿真分析

建立I型波导-同轴转接头仿真模型，如图5所示，带内（12GHz～13GHz）同轴端具有良好的传输和反射特性，带外（2.5GHz～4.5GHz）同轴端输入电磁波进入波导，但不再从波导端输出，能量主要“存贮”于波导中。

图5 I型转接头仿真结果

将上述两型波导连接起来，如图6所示，带内具有较好的反射特性、传输特性，带外入射能量全部返回且隔离度较高。

图6 两个转接头合在一起仿真结果

需特别说明的是，带转接头的波导尺寸均为19.05mm、9.225mm。根据前述仿真结果，I型、II型转接头、I型+II型转转接头的带外（3.2GHz）插损（S12）分别为-33dB、-54.2dB、-92.2dB。经测量，卫通天线上的U形波导长度约为150mm，由于受到软件仿真、仪器测量精度的限制，将上述3个器件一同分析，既仿不准，又测不准。因此，在I型+II型转接头之间再附加一段波导，通过调整附加波导的长度，尽量控制总插损在-150dB以内，以评估3个器件一同使用时的带外（3.2GHz）特性。其仿真结果如图7所示（其中预测是指由附加波导理论计算结果加上I型转接头，以及II型转接头衰减之后的结果），总结如表3所示。

表3 卫通用波导转接头分析表（3.2GHz）

图7 I型+II型转接头调整附加波导长度仿真结果

4 波导-同轴转接头测试分析

如图8所示为I型+II型转接头的S21理论计算、仿真和测试数结果，其中测试为I型与II型转接头互连并分别连接矢网信号通道。理论计算仅计算了63mm波导的衰减，即没有考虑同轴馈电的损耗。理论计算、仿真和测试结果吻合较好，两型转接头具有良好的带内传输与带外抑制特性。

图8 I型+II型转接头结果

5 结语

本文建立了Ku卫通两型同轴-矩形波导转接头的仿真模型，分析了其带内传输（12GHz～13GHz）和带外抑制（2.5GHz～4.5GHz）特性。结果表明，两型转接头带外（3.2GHz）插损分别为-33dB、-54.2dB，总插损-92.2dB，理论、仿真、测试结果吻合较好。