CN101322283B - T形波导扭转变换器 - Google Patents

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Abstract

用于连接两个波导(101，103)的接头，在它们的横截面的纵向对称轴之间具有大致90°的角度偏移，所述接头包括第一接口(102)和第二接口(104)用来连接所述波导(101，103)，且还包括至少第一变换器段(202)和第二变换器段(206)，都具有大致矩形的横截面，并且在它们的横截面的纵向对称轴之间具有所述90°的角度偏移，其中该第一和该第二变换器段(202和206)以形成T形连接的方式被连接且该第一变换器段(202)在其宽壁(210)上具有第一凸脊(204)，该第二变换器段(206)在其宽壁(212)上具有第二凸脊(208)，其中具有第二脊(208)的该宽壁(212)与该第一变换器段(202)的该顶部窄壁相连接，该脊(204和208)重叠放置。

Description

T形波导扭转变换器
技术领域
本发明涉及一种也称为波导扭转变换器的波导接头(waveguide junction)，用于连接呈现90°角度偏移的波导。
背景技术
波导扭转用来旋转场方向以使呈现角度偏移的两个波导匹配。在本领域已知的解决方法中，利用从输入波导到输出波导的合适的角度步长，使电场的矢量在中间波导段(section)中旋转。基于角度的增加，每个角度步长引起波的部分反射。在合理的设计中，这些部分反射应该在中心频率上取消；因此，每个段的长度最好为波导波长的四分之一(或者其中奇数倍)。总的带宽取决于波导段的数量。
本领域中的波导扭转一般基于阶梯扭转(step-twist)段，如在IRE Trans.Microwave Theory Tech.，vol.MTT-3，pp44-52，Oct.1955中Wheeler，H.A.等人的“Step-twist waveguide components(渐进扭转波导部件)”中所介绍的。为适应两个接口波导与T形校准(即90°角度偏移)的相互连接，除了考虑中间步长之间的角度偏移之外，还考虑沿一个接口波导的横截面轴向的偏移来修改该方法。该设计的一个合理实现方式是可以在一段中使用本领域的CNC研磨工艺加工来自凸缘面(flange face)的结构。然而，这种设计只能应用于不超过两个变换器步长的情况，对于可实现的性能(即，电压驻波比，VSWR，和带宽)这产生了相当大的限制。部件的长度由频带确定，即每个变换器的长度步进操作频带的中心频率的波导波长的四分之一。这一事实导致了现有技术的另一缺陷，就是该解决方法一般在凸缘相互连接(接口)处呈现角度偏移。结果，当在密封(加压的)波导系统中使用这个部件时需要特殊的(即，非标准)凸缘密封。
本领域已知的可替代解决方法是由两个部分构成的情况，所述两个部分必须被连接以形成全功能接头。这些接头的两个部分样式考虑到更复杂的加工，结果实现改进的性能，但是这种接头的制造比较复杂，昂贵且费时。如果利用两个(或多个)部分，它们需要以合适的方式被结合，这增加了制造的难度和花费。它们可用螺丝安装，但如果该部件用于加压的波导系统中时，这种解决方法需要在分离面使用额外的密封手段。另一种方法是使用焊接或铜焊的结合，然而，这种解决方法需要小心选择基本(和表面)材料以及整体结构以适应额外工艺的需要。另外，两个(或更多)部分的部件的实现产生额外的容差(例如，拟合所述部分)，这可能损害最佳性能。
US6,756,861中记载了本领域已知的另一种解决方法。该解决方法允许具有任意偏移的正交校准的波导对接。但是对于T形结构，附加弯曲必须结合到该结构中，其增加了尺寸，并且该单元变得庞大。还应该注意到，这样的解决方法一般需要扭转包括两个部分。
因此，改进的波导接头是有利的，并且特别的，其具有良好性能特征以及容易制造。
发明内容
相应的，本发明优选探求减轻、缓和或消除上述一个或多个单独的或任何组合的缺点。
根据本发明的一个方面，公开了用于连接两个波导的接头，在它们的横截面的纵向(longitudinal)对称轴之间具有大致90°的角度偏移。所述接头包括第一接口和第二接口用来连接所述波导，且还包括至少第一变换器段和第二变换器段，都具有大致矩形的横截面，并且在它们的横截面的纵向对称轴之间具有所述90°的角度偏移，其中所述第一和所述第二变换器段以形成T形连接的方式被连接且所述第一变换器段在其宽壁上具有第一凸脊，所述第二变换器段在其宽壁上具有第二凸脊，其中具有第二脊的所述宽壁与所述第一变换器段的顶部窄壁相连接，并且所述脊重叠放置。
可替代地，所述接头包括四个变换器段，在所述接头的每一侧有两个，其中第三变换器段与所述第一变换器段相连接而无角度偏移，第四变换器段与所述第二变换器段相连接而无角度偏移，其中所述第三变换器段具有位于和所述第一变换器段的第一脊大致相同位置的第三凸脊，所述第四变换器段具有位于和所述第二变换器段的第二脊大致相同位置的第四凸脊，在所述第三和第四变换器段中的所述脊的高度比在所述第一和第二变换器段中的所述脊的高度要小。
优选地，脊在它们的顶截面中重叠，并且更优选地，脊具有平坦的顶部。
在一个实施例中，所述脊中的至少一个是T形的。
在一个实施例中，第一接口和所述第一变换器段不对称地对准，所述第一接口的窄壁向所述第一变换器段的窄壁移动，所述第一变换器段的窄壁与具有所述第二脊的所述第二变换器段的所述宽壁相连接。
优选的，所述第二脊大致位于所述第二变换器段的宽壁的中心。
在另一个实施例中，所述接头还包括位于所述第一变换器段和所述第一接口之间的第一波导延伸和位于在所述第二变换器段和所述第二接口之间的第二波导延伸。
本发明的进一步特征将在从属权利要求中进行阐述。
本发明有益地使得呈90度的角度偏移的波导相互连接-提供紧凑的尺寸，容易使用一块固体金属进行制造且在宽频带上的高性能性质(尤其是低VSWR)。该接头没有向连接波导呈现角度偏移且因此任何标准凸缘的相互连接(如，在密封的波导系统中)都没有问题。另外，该制造部分的长度可以适合整个装配的需要一其不再取决于工作频带。该T形扭转很好适用于执行多馈电天线网络的偏振调整，即，现有的多馈电阵列的馈电可以装配有这种T形扭转来执行该正交偏振。
附图说明
从结合附图的下面详细描述中，将更全面地了解和理解本发明，其中：
图1是示出在本发明的一个实施例中被相互连接的两个波导的横截面(在T形配置中)对准的示意图；
图2是示出根据本发明的一个实施例用于连接两个波导的接头的示意图；
图3A和图3B示出了根据本发明的两个可替代的实施例在两个镜像配置中的变换器段的横截面；
图4是示出了在本发明的一个实施例中被相互连接的两个波导横截面(在T形配置中)对准的示意图；
图5是示出根据本发明的一个实施例用于连接两个波导的接头的示意图。
具体实施方式
参考图1和图3，示出了用于连接两个波导的接头。为了清楚起见，附图示意性地呈现本发明，忽略对理解本发明非必要的元件和线。
本发明的原理如图1所示，其中通过第一波导101和第二波导103的横截面示出了T形配置的90°波导接头。参考图2，第一矩形波导101(在图2中未示出)通过第一接口102连接该接头的第一变换器段202。该第一变换器段202具有与第一波导101相同的定向(即，没有角度偏移)。相似地，第二矩形波导103(在图2中未示出)通过第二接口104连接该接头的第二变换器段206，其具有与第二波导103相同的定向。该第一和第二变换器段202和206均具有大致矩形的横截面，且均具有在其横截面的纵向对称轴之间的90度的角度偏移。该第一202和第二206变换器段以形成T形连接的方式被连接。该第一和第二变换器段202，206中的每一个分别具有一个脊204和208。
现在参考图3A，具有矩形横截面的接口波导102、104与该第一和第二波导变换器段202和206相连接，第一和第二波导变换器段202和206的每个都具有单独的脊204和208，其分别从它们的宽壁210和212延伸至所述矩形横截面。该第一变换器段202在其宽壁之一210上具有第一凸脊204，该第二变换器段206在其宽壁之一212上具有第二凸脊208，其中具有第二脊208的该宽壁212与第一变换器段202的窄壁相连接，并且脊204和206重叠放置。图3A示出后续横截面的示意图。接口102和104的横截面使用点线表示。具有垂直对准的矩形接口(宽壁与垂直轴平行)被连接到具有较小的横截面的第一波导变换器段202，其不对称地位于靠近关于接口横截面的顶壁。另外，该第一变换器段202具有从其宽壁之一210延伸至变换器段(图3A从左宽壁)的第一脊204。该脊具有从横截面的中心位置向其顶壁的偏移。具有水平对准的宽壁的该第二接口104与具有较小横截面的该第二波导变换器段206连接。这两个横截面的彼此对准几乎是对称的。该第二变换器段206示出从顶宽壁212延伸到几乎与该垂直轴对称的该矩形横截面的第二脊208。第一和第二变换器段202和206以T形方式互相连接，即，该第一变换器段202的顶窄壁和该第二变换器段206的顶宽壁212被靠近地放置在一起，其中该矩形横截面几乎与垂直轴对称。变换器段202和206的脊204和208存在重叠，这是由于该第一变换器段206的该第一脊204位置的偏移。变换器段202和206的长度大约为专用的脊形横截面的四分之一波导波长。该脊204和208提供了电场集中和变形以得到在变换器段202和206的连接处的正交极化之间的能量转化。
第一202和第二206变换器段各自90°的角度偏移实现了该整个90°的偏移。在图2和图3A所示的实施例中，该脊204和209具有平面状顶部。然而，本发明预期是脊204和208的顶也可具有不同的形状。
在一个实施例中，如图3A所示，该第一脊204位于与该第一变换器段202的该宽壁210的中心具有偏移处，其中该第二脊208大致位于该第二变换器段206的宽壁212的中心。
在一个实施例中，该第一接口102和该第一变换器段202不对称对准，且该第一接口的窄壁朝向该第一变换器段的窄壁移动，该第一变换器段的窄壁与具有第二脊208的该第二变换器段的宽壁相连接，且该第二接口104和该第二变换器段206的对准基本上对称。
在优选的实施例中，该脊204和208在它们的顶截面重叠。
在空的矩形波导中，基本波导模(TE10-模)的电场矢量总是与波导的宽(宽尺寸)垂直。同样适用于具有脊204和208的变换器段202和206中基本模式的电场的主要部件。该传送波的扭转(电场矢量的方向变化)以90°的角度步长通过脊204，208建立在电场的集中上。另外，该电场在两边必须具有同样的场部件来得到能量的合适耦合/传送。通过本发明中所提出的在变换器段中配置的脊可获得这些先决条件。
应该注意的是，由于通过脊204，208加载，该变换器段202，206的截止频率比现有技术中已知的波导连接的截止频率显著降低。这个事实使得与现有技术中已知的解决方法相比变换器段202，206显著变短，即，根据本发明的接头更加紧凑。然而，本发明还提供了使其长度适应特殊需要的可能，其有时候可以有助于避免额外的波导硬件。其通过以下方式得到：由于该变换器段206，206具有与该连接的波导101，103同样的定向，所以可以在该第一变换段202和该第一接口102之间放置额外的任意波导。类似的，可以在该第二变换器段206和该第二接口104之间放置额外的波导段。可替代的，该接口段102和104的长度可以制成满足实际配置的尺寸需要。
所描述的具有两个变换器的步长的结构适合具有操作带宽高达10％(VSWR例如＜1.06)的设计。在可替代的实施例中，对于更大的带宽需要，可以在上述接口和上述第一和第二变换器段202和206的相互连接之间考虑额外的变换器段。在这个可替代的实施例中，如图5所示，该接头包括四个变换器段，在接头的每一边有两个。第三变换器段502与该第一变换器段202相连接，其中该第三和第一变换器段具有同样的角度定向。第四变换器段506与该第二变换器段206相连接，且该第四和第二变换器段具有同样角度定向。该第三和第四变换器段均具有位于和该第一和第二变换器段202，206的第一和第二脊204，208大致相同的位置上的脊(分别为第三脊504和第四脊508)。该第一204和第二208脊的高度分别比该第三504和第四508脊的高度高。这导致了接头的几何形状能够由一个固体块金属容易制造。如图5所示的该第二206和第四506变换器段只具有与脊的不同尺寸相同的尺寸。然而，本发明的预期中，该第二206和第四506变换器段的尺寸可以不同，如同在图5所示的该第一202和第三502变换器段的情况下。该第一变换器段202直接与该第二变换器段206相连接(即，该第三502和第四506变换器段是在外面的)。
通常，该变换器段具有同样尺寸的横截面。内部(即，第三和第四)和外部(即，第一和第二202，206)的变换器段的脊的不同尺寸可获得变换(扭转该电场方向和传播的波的磁矢量)。通常在第一和第二变换器段202和206中的脊的高度比在第三和第四变换器段中的高度要大(内部变换器段的脊的脊的间距较小)这一事实保持了对接头有利的生产特性。然而，在本发明的预期中，在可替代的实施例中，该第三和第四变换器段不需要具有和第一及第二变换器段202，206相同的的整个横截面尺寸。在特殊设计中，当允许容易制造时，该第三和第四段的较大横截面可以用来进一步改进性能。
在天线馈电系统的应用中，特别地在多馈电天线中，相位定向可能是特别关心的。在可替代的实施例中，该介绍的新颖的组件设计允许该输入信号从一个接口传送到另一接口上的相反场方向。这是与图3A所示相似的变换器结构，但是在垂直轴与图3B所示镜像。图3B的这个可替代的实施例提供了与图3A所示的初始情况相反的电场方向(180度相位)。
该接口适合以该波导101，103也具有与接头的各段相同的对称轴的方式连接波导101，103。接头的接口通常展现与波导相同的定向的事实便于执行标准密封手段，这对于加压的波导系统中的应用是必要的。
在本发明的可替代的实施例中，具有例如3个变换器段的接头也是可能的。这种情况下，一个变换器段具有与该第一接口波导相同的角度对准的且保持两个变换器段与该第二接口波导的角度对准。在具有一个段的该变换器的第一部分和具有两个段的第二部分之间出现90度的角度偏移。
参考图4，示出了该接头的可替代的实施例。在该可替代实施例中，脊中的至少一个为T形，402。
该接头优选地由一块金属从凸缘面开始研磨的工艺中制造。然而，在本发明的预期内，也可以使用可替代的加工方法。原则上，该部件也可以容易地由铝甚至由镀金属塑料中的压铸方法制造。在研磨情况下，该接头在横截面的拐角展示了某一半径。然而，完全矩形的形状也是可能的，对于高产量生产其是合适的解决办法，如通过铝或镀银塑料来压铸。

Claims (15)

1.用于连接两个波导(101，103)的接头，在它们的横截面的纵向对称轴之间具有大致90°的角度偏移，所述接头包括第一接口(102)和第二接口(104)用以连接所述波导(101，103)，且还包括至少第一变换器段(202)和第二变换器段(206)，都具有大致矩形的横截面，并且在它们的横截面的纵向对称轴之间具有所述90°的角度偏移，其中所述第一和所述第二变换器段(202和206)以形成T形连接的方式被连接且所述第一变换器段(202)在其宽壁(210)上具有第一凸脊(204)，所述第二变换器段(206)在其宽壁(212)上具有第二凸脊(208)，其中具有第二脊(208)的所述宽壁(212)与所述第一变换器段(202)的顶部窄壁相连接。
2.如权利要求1所述的接头，其中所述脊(204和208)重叠放置。
3.如权利要求1或2所述的接头，所述接头包括四个变换器段，在所述接头的每一侧有两个，其中第三变换器段(502)与所述第一变换器段(202)相连接而无角度偏移，第四变换器段(506)与所述第二变换器段(206)相连接而无角度偏移，其中所述第三变换器段具有位于和所述第一变换器段的第一脊大致相同位置的第三凸脊，所述第四变换器段具有位于和所述第二变换器段的第二脊大致相同位置的第四凸脊，在所述第三(502)和第四(506)变换器段中的所述脊(504，508)的高度比在所述第一和第二变换器段(202，206)中的所述脊(204，208)的高度要小。
4.如权利要求1或2所述的接头，其中所述第二脊(208)大致位于所述第二变换器段(206)的所述宽壁(212)的中心。
5.如权利要求1或2所述的接头，其中所述第一脊(204)位于与所述第一变换器段(202)的所述宽壁(210)的中心具有偏移处。
6.如项权利要求1或2所述的接头，其中所述变换器段(202和206)的横截面比各自接口的横截面小。
7.如权利要求1或2所述的接头，其中所述第一接口和所述第一变换器段(202)不对称地对准，所述第一接口的窄壁向所述第一变换器段的窄壁移动，所述第一变换器段的窄壁与具有所述第二脊(208)的所述第二变换器段的所述宽壁相连接。
8.如权利要求1或2所述的接头，其中所述第二接口和所述第二变换器段(206)的对准大致对称。
9.如权利要求1或2所述的接头，其中所述接头还包括位于所述第一变换器段(202)和所述第一接口之间的第一波导延伸和位于所述第二变换器段(206)和所述第二接口之间的第二波导延伸。
10.如权利要求1或2所述的接头，其中所述脊(204，208，504，508)具有平坦的顶部。
11.如权利要求1或2所述的接头，其中所述脊中的至少一个是T形的(402)。
12.如权利要求2所述的接头，其中所述脊(204，208，504，508)在它们的顶截面中重叠。
13.如权利要求1或2所述的接头，其中所述第一和第二变换器段(202，206)的横截面具有同样的尺寸。
14.如权利要求1或2所述的接头，其中所述接头由一个单片金属块制造。
15.如权利要求3所述的接头，其中至少所述第一(204)和第三(504)脊或者所述第二(208)和第四(508)脊是不对准的。
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