高功率毫米波旋轉接頭｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	余博仁 Bo Ren Yu
論文名稱：	高功率毫米波旋轉接頭 High-Power Millimeter-Wave Rotary Joint
指導教授：	張存續 Tsun Hsu Chang 朱國瑞 Kwo Ray Chu
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 物理學系 Department of Physics
論文出版年：	2008
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	55
中文關鍵詞：	旋轉接頭、TE01 、TE02模式轉換器
外文關鍵詞：	rotary joint, TE01, TE02 mode converter
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　　本篇論文將研究設計一個Ka頻段之TE01高頻微波旋轉接頭，並加工實作實際量測，與模擬結果做比較。
　　在研究分析上使用到高頻結構模擬軟體(Ansoft HFSS 9.0)，模擬實際情況會遇到的問題，以及比較各種傳播模式優劣。決定高頻微波旋轉接頭作用機制後，再更進一步設計，對各結構做優化，以提高頻寬以及穿透效率。
　　利用HFSS模擬圓形波導管，管壁間隙以及波導管彎曲對不同模式的影響，模擬結果，前六個最低模式之中，TE01模式擁有最好的傳播特性，幾乎不受管壁間隙及波導管彎曲的影響；此外TM01、TM11模式所受之影響最為劇烈，推測是表面電流遭間隙截斷的緣故。
　　利用HFSS模擬四個連接埠側邊激發之TE01模式轉換器，轉換效率高達98.7%，穿透-1dB頻寬為8.5 GHz (24%)，損耗主要來自於結構的反射以及銅的歐姆損耗。
　　低功率量測使用到向量網路分析儀(VNA, Agilent 8510C)，量測結果，本實驗設計之TE01高頻微波旋轉接頭在Ka頻段，30 GHz至40 GHz，穿透率與旋轉角度無關，且相當接近HFSS模擬結果，穿透效率為94%，穿透-1dB及-3dB頻寬分別為5.7 GHz(16.8%)和8.5GHz(24.2%)。
　　高功率量測用到高功率分佈作用速調放大器(EIA)，量測結果，本實驗設計之TE01高頻微波旋轉接頭可以於高功率能量之下操作，不會有電火的現象，至少可以承受峰值功率210W（duty: 18%，平均功率38W），穿透效率在-1dB以上，且不受旋轉角度的影響。

第一章　簡介 ……………………………………………………  1
1　概述               1
2　高頻微波旋轉接頭簡介           1
3　模式轉換器              3
3.1　TE11模式轉換器           3
3.2　TM01模式轉換器           4
3.3　TE01模式轉換器           4
3.4　TE11圓形極化子           5
4　各類型高頻微波旋轉接頭           7
4.1　同軸模式旋轉接頭           7
4.2　圓形模式旋轉接頭           8
4.2.1　圓形極化TE11旋轉接頭        8
4.2.2　TM01高頻微波旋轉接頭        9
4.2.3　TE01高頻微波旋轉接頭         9
5　研究動機              9
第二章　理論推導 ……………………………………………… 11
1　圓形波導管表面電流理論推導         11
1.1　TE模式表面電流          11
1.2　TM模式表面電流          12
2　圓形波導管電磁波衰減常數推導        13
2.1　TEmn模式衰減常數計算         14
2.2　TMmn模式衰減常數計算         15
第三章　模擬結果與討論 ……………………………………… 16
1　模擬軟體－HFSS            16
2　TE01模式的優點            17
2.1　圓對稱場型           17
2.2　TE01模式衰減常數之特性        17
2.3　管壁無縱向表面電流         19
2.4　管壁間隙對TE01模式的影響        20
2.4.1　間隙寬度對各模式的影響       20
2.4.2　間隙長度對各模式的影響       21
2.4.3　穿透率對歸一化頻率的關係       22
2.5　波導管彎曲對TE01模式的影響       23
3　TE01模式轉換器            25
3.1　 TE01模式轉換器結構圖         26
3.2　模式轉換器部份          26
3.3　能量分流部份           27
3.4　TE01模式轉換器模擬結果與討論       29
4　TE01高頻微波旋轉接頭          31
4.1　中間通道長度對穿透的影響        31
4.2　旋轉角度對穿透的影響         32
4.3　轉軸接縫對穿透的影響         33
4.3.1　間隙寬度對穿透的影響        34
4.3.2　間隙長度對穿透的影響        36
4.3.3　旋轉角度對穿透的影響        38
第四章　實驗結果與討論 ……………………………………… 39
1　高頻微波旋轉接頭加工圖與完成品        39
2　低功率量測             41
2.1　實驗裝置            41
2.2　實驗結果與討論          42
2.2.1　壓緊與未壓緊之測試        42
2.2.2　量測結果           42
2.2.3　突降之尖點與旋轉角度關係       44
3　高功率量測             45
3.1　實驗裝置            45
3.2　實驗結果與討論          46
3.2.1　晶體偵測器校正         46
3.2.2　量測結果           47
第五章　結論 …………………………………………………… 49
附錄A　TE02模式轉換器 ………………………………………… 50
A.1　TE02模式轉換器            50
A.2　設計原理及結構圖           50
A.3　TE02模式轉換器模擬結果與討論        53
參考文獻 ………………………………………………………… 54

                                

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[17] http://electronic-components.globalspec.com/LearnMore/Electrical_Electronic_
Components/Wires_Cables_Accessories/RF_Rotary_Joints
[18] "Catalogue Rotary Joints," http://www.spinner.de/pdf/RotaryJoints-Ed-A.pdf
[19] http://www.spinner.de/englisch/RotaryJoints-engl.htm
[20] http://www.rfglobalnet.com/product.mvc/Ka-Band-Waveguide-
Rotary-Joint-0001
[21] A.S. Gilmour, Jr, Microwave Tubes, Artech House, Norwood, 1986.

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