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波导器件的原理、类型与应用

微波射频网

2024-10-16

导读：同轴线是一种常见的传输线，用于在电子设备和通信系统中传输高频信号。其TEM主模的截止波长无穷大，具有宽频带特性，能够在较宽的频率范围内有效地传输信号。

本次推文简单介绍下波导器件的原理、类型与仿真设计。

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Why波导器件？

同轴线是一种常见的传输线，用于在电子设备和通信系统中传输高频信号。其TEM主模的截止波长无穷大，具有宽频带特性，能够在较宽的频率范围内有效地传输信号。其常见的特性阻抗有 50ohm和75ohm，且相对稳定。这使得它与其他电子设备（如放大器、滤波器等）的级联、匹配较为方便。

推荐阅读：一文了解常用的微波传输线（一）

一文了解常用的微波传输线（二）：矩形波导、集成波导、圆波导、矩圆转换器仿真

虽然同轴线在信号传输方面有其自身优势，在更高的微波和毫米波频段，同轴线的损耗会显著增加。这是因为同轴线的内导体和外导体之间存在介质，在高频下介质损耗和趋肤效应导致的导体损耗都变得很大。

除此之外，同轴线的结构限制了其承受高功率的能力。当传输高功率信号时，同轴线内部的电场强度分布容易导致介质击穿或者导体过热等问题。

相较而言，波导器件由于其内部为空心结构，不存在介质损耗，从而在高频段具有更低的插损。因为波导内部是空心的，在高功率信号传输时，其电场分布在波导内部空间，不易出现击穿现象，具有更高的功率容量。在一些高功率的微波发射系统中，如卫星通信中的发射设备，波导器件更适合用于大功率信号的传输。

波导器件的原理

波导（Waveguide）是一种用来约束或引导电磁波传播的结构。它的内部空间可以限制电磁波沿着特定方向传播。对于沿z方向进行传播的导波，我们可以通过对无源的麦克斯韦方程进行推导，将电场和磁场的横向分布由纵向分量进行表达。

不同于双导体传输线，空心的金属波导不能传输TEM模式！(即横电磁模式，其特点是电场和磁场都没有沿着波传播方向的分量)。以矩形波导为例，它是一个中空的金属管道。根据麦克斯韦方程组和波导的边界条件，在波导壁上电场的切向分量必须为零。如果存在 TEM 模式，对于 TEM 波，由于其电场和磁场在垂直于传播方向的平面内闭合，要求存在纵向（沿波导传播方向）的电流（传导电流或者位移电流）来维持磁场的闭合回路。然而，波导内部是中空的，不存在能够支持这种纵向的传导电流。如果存在纵向的位移电流，这又与TEM传输模式矛盾。

矩形波导

模式模式是矩形波导中最常用的模式。对于模式，其电场在波导的宽边方向呈现半个正弦波的分布，在窄边方向上电场是均匀分布的。

由于仿真模型中我们是采用波端口进行激励，要加工成实物进行测试时，可以采用探针激励、小环激励等方式。以探针激励为例，它是利用同轴线内导体延伸出的一小段金属探针来实现的。将同轴线的内导体伸出一小段进入矩形波导内部，伸出的探针就相当于一个小的电偶极子。根据电磁场理论，这个小电偶极子会在其周围产生电磁场。如果选择合适的探针位置、长度和激励频率，就可以在矩形波导中激励出特定的模式。对于激励模式，通常将探针放置在波导宽边的中心位置且平行于窄边，探针距离短路端也需要约1/4波长的间隔。这是因为模式下电场在波导宽边中心有最大值，且1/4波长的间隔可以将短路端转换为开路端，这样的放置方式有利于有效地激励出该模式。探针的长度也需要合适，一般为1/4波长左右。

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通过简单地将射频同轴连接器与波导进行组合，我们可以得到波导同轴转换器和标准增益喇叭天线等。

但是常规的矩形波导要保证单模传输，就难以实现宽带特性。

为了解决这一问题，我们可以将矩形波导的宽壁弯折起来, 其中的电磁场模式与矩形波导的模式相似，但是内部的脊结构改变了电磁场的分布。在双脊波导中，电场主要集中在脊的附近区域，这种电场分布的改变使得波导在相同的外形尺寸下，截止频率降低，并且能够在更宽的频率范围内实现单模传输。如下所示是一个WRD500双脊波导同轴转换器，可以在 5-18GHz频段内稳定工作，而国标BJ140仅能在11.9~18GHz工作。

为了确保军工产品在复杂环境中的可靠性和耐用性，往往需要产品满足三防标准(防潮、防霉、防盐雾)。因此金属材料往往选用抗腐蚀、散热性能优越的镀金铍铜合金而不是采用简单的铝材质，并且端面还需要加气密性圈。

WR112(BJ84)波导同轴转换器（图片来源：rftop.cn频优微波）

圆波导

圆波导和矩形波导都是用于引导电磁波传播的结构，但是圆波导具有轴对称性，这使得它在某些需要圆对称电磁场分布的应用中具有独特优势。例如在一些旋转关节的应用中，圆波导能够更好地适应旋转过程中的电磁传输要求，因为无论旋转到任何角度，其电磁特性保持不变。而矩形波导不具备这种轴对称性，在旋转时会面临电磁场分布变化以及可能导致的信号传输不稳定等问题。

不过，圆波导有着矩形波导没有的一些特性：比如极化简并现象。由于圆波导的圆周对称性，会出现两种独立的、电场矢量具有不同空间取向但传播特性相同的模式。如下图所示的两种TE₁₁模式，它们的电场矢量方向沿着中心旋转了90°，但这两种极化状态对应的电磁波在圆波导中具有相同的截止频率等传播特性，这是因为圆波导的轴对称结构使得这两种极化方向的电磁场在波导内的传播没有本质区别。

波导间的转换

扭波导：也称为波导扭转接头，是一种两端的宽边和窄边的方向互换90°的波导，其特点是电磁波通过时极化方向改变90°，而传播方向不变。这种特性使得扭波导在连接波导时，尤其是在前后两节波导发生宽边和窄边相对的情况时，成为必要的过渡元件。需要注意的是，扭波导的长度应为的整数倍，且最短不得小于，其中为波导波长。想在HFSS中建立扭波导，可以将一个矩形片沿一直线sweep,即选中矩形和直线，点edit\sweep\sweep along path，在Angle of twist中填入扭波导扭得角度，即可得到。

可扭软波导：可扭软波导在保持波导基本传输特性的同时，具备了高柔韧性和可扭转性。与传统的硬波导相比，它可以在一定范围内弯曲、扭转而不会对波导内的电磁波传输产生严重影响。例如基站内部设备布局紧凑，空间有限，且需要经常进行设备的升级、维护和调整，可扭软波导可以方便地适应这种复杂的环境，实现高效的信号传输。在一些车载、舰载或机载雷达中，雷达设备在运行过程中可能会受到振动、摇晃，可扭软波导能灵活地适应设备的各种姿态变化。

WR28(BJ320) 可扭软波导（图片来源：rftop.cn频优微波）

矩/圆波导转换：在微波通信系统中，矩/圆波导转换结构是连接不同类型波导传输线的关键部件。例如，在从微波发射机到天线的传输链路中，如果发射机部分采用矩形波导传输，而天线的馈电部分采用圆波导结构，就需要矩/圆波导转换结构来实现信号的无缝传输。在雷达系统中也是如此，当雷达的收发组件与天线之间存在不同类型的波导时，该转换结构能够保证信号的高效传输，提高整个系统的性能。对于矩形波导和圆波导的转换，用CST的Loft操作可以轻松搞定。

其他的波导器件

波导负载：在一些波导通信系统或微波电路中，反射波会对系统的性能产生负面影响。波导负载通过吸收电磁波能量来减少反射波的产生，波导负载是指连接在波导终端的器件或结构，它的主要作用是吸收波导中传输的电磁波能量。例如，在一个复杂的波导网络中，如果没有合适的波导负载，信号在传输过程中可能会在各个节点产生反射，这些反射波会与入射波相互叠加，导致信号失真、传输效率降低等问题。而波导负载可以将多余的能量吸收，保持波导系统中信号的正常传输。

波导短路块：对于高频率工作的矢量网络分析仪，有时候采用波导校准件进行校准。由于高频（如毫米波、太赫兹频段）下，金属表面的粗糙度会增加导体损耗，因此波导短路块对加工面的平整度要求比较严苛。

WR19(BJ500)-WR51(BJ180) 短路块（图片来源：rftop.cn频优微波）

波导1/4波定长块：‌‌波导开路校准件的设计是为了在使用波导校准套件进行校准时，由于开路电路的波导反射特性不佳，无法达到较为理想的全开路特性，因此不使用开路标准件，而是采用一个的垫片来替代，它在波导带宽的中心点处有90度的相移。

WR19(BJ500)-WR28(BJ320) 1/4波定长块（图片来源：rftop.cn频优微波）

其它波导器件：在矢量网络分析仪对放大器进行测试时，输入信号可能过强，超出测试设备的最佳测量范围。此时，波导衰减器可放置在信号源与被测器件之间，将输入信号衰减到合适的强度，确保测量结果的准确性；在蜂窝移动通信基站中，波导功分器用于将来自基站发射机的信号分配到多个天线单元，以实现信号的发射；在基站的发射链路中，波导耦合器可以从主传输波导中耦合出一小部分信号到监测设备，这样可以实时监测发射信号的功率、频率等参数；在一些多通道通信系统中，如多输入多输出（MIMO）系统，需要将功率分配到不同的通道或者将多个通道的功率合成。波导耦合器可以作为功率分配器或合成器使用。例如，将输入波导中的信号按照一定比例耦合到多个分支波导中，实现功率在不同通道间的分配，或者将多个分支波导中的信号耦合到一个主波导中进行功率合成。