CN101485038A - 波导接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波导接口。用于对波导段或元件进行连接的波导凸缘被设计成获得机械强度并表现出所需的电特性，例如较低的插入损耗和高回波损耗。本发明构思的波导接口具有扼流凸缘，该扼流凸缘被设计成与屏蔽凸缘接合并提供具有更好电特性的接头。新的扼流设计产生了经过波导接头的虚拟连续性并使电能量泄漏最小化。波导接口中接头的电特性和机械特性可靠并能够容忍较低的零件精度水平、没有金属对金属接触的不完美凸缘匹配、以及匹配的凸缘表面之间高达0.06″或更大的间隙。

Description

波导接口

技术领域

本发明涉及波导系统，尤其涉及用于将多段波导和波导元件进行耦合的波导接口。

背景技术

波导凸缘用于耦合多段波导和波导元件。在设计用于波导接头的波导凸缘时，要考虑这样的情况：波导接头的特性影响着波导的机械强度和电性能。因此，波导接头被设计来提供强度，并且使能量反射最小化，并使整个频率范围的功率泄漏最小化。

理想情况下，通过完美的欧姆接触而邻接在一起的平坦凸缘会产生对频率不敏感、可忽略的反射和功率泄漏。通过平坦凸缘的完美接触式耦合，波导基本上连续地经过接头。但是，通过完美的欧姆接触防止泄漏和反射需要精密的对准、清洁和完美的平坦表面、以及紧密的面对面式表面邻接。

通过细致的设计和组装，组合的波导段或波导元件更容易在该频率范围表现出所需的SWR(驻波比)、回波损耗、反射和泄漏特性。但是，平坦接触式凸缘不能容忍凸缘之间的间隙，并且由于易受机械振动或表面变差影响而在更高能量水平下可能在接头处产生弧光。出于相同的原因，平坦接触式凸缘不适合同轴和旋转接头。

作为一种替代，波导接头使用了扼流凸缘(choke flange)。在一种典型构造中，波导段之间的连接是通过如图1a—图1c所示与扼流凸缘邻接的盖件凸缘来实现的。在扼流凸缘16中，环形槽12在接头处与波导串行地插入，环形槽12形成半波低阻抗线。槽12的深度及其半径各为四分之一个波长。通过四分之一波长的槽尺寸，接触点22处的电流基本为零，因为接触点处任何有限的电阻都与无限大阻抗串联。通过使槽的半径尺寸也是四分之一波长，接触点处的阻抗基本为零，并且在波导18、20之间(沿着侧壁)提供了纵向电流的连续性。换言之，由于串联线在远端被短路，其输入阻抗可忽略，并且两个波导段基本上连续地经过该接头。凸缘之间的实际欧姆接触是在半波长线处进行的，在该处存在电流节点，因而泄漏和能量反射可以被最小化。另外，半波长线在频率范围上的低特性阻抗还降低了频率敏感性，但是在设计这种扼流时，必须留意适当的波长。

图2图示了一种同轴旋转波导接头。在传统形式中，旋转接头由一对轴向对准的凸缘制成，并且通过低阻抗摩擦接触来进行电连接。在所示的同轴旋转接头中，DC阻挡连接器对内导体106、108进行连接，而外导体102、104通过扼流构造的连接器112连接在一起。

但是，传统的扼流耦合接头(例如以上所述这些)需要精密的对准和高精度的零件。这种需求在高频(例如38GHz)时尤其重要。对于旋转接头，精密对准防止了回波损耗和SWR变化，并使旋转过程中的摩擦最小化。为了说明这一点，图3a—图3b示出了扼流耦合接头的盖件凸缘202，它带有用于使波导218、220匹配的弹簧触点222。这种额外元件(弹簧触点)对于在波导段之间确保欧姆接触是必需的。

发明内容

本发明构思了解决这些问题以及相关问题的波导接口设计。根据本发明的原理而设计的用于连接波导的接口即使在不完美的面对面方式表面邻接或对准情况下也表现出所需的电特性。这些波导接口可以容忍凸缘的匹配表面之间高达0.06＂或更高的间隙，以及更低的零件精度水平。波导过渡被设计成使谐振最小化，而所述谐振本来可能会引入不良的回波损耗和高插入损耗。这种特性被针对整个频带进行了优化。另外，这些波导接口需要的零件更少，不需要弹簧或摩擦接触来实现欧姆接触。

因此，为了本发明的目的，一种波导接口包括与波导相连的扼流凸缘和与另一波导相连的屏蔽凸缘。在一种实施例中，扼流凸缘具有主体和颈部，主体具有外周和基部，颈部沿着主体的外周在基部处形成台阶。颈部通常与主体大体上同心。在基部处，颈部具有匹配表面，该匹配表面具有用于相连波导的波导开口，其中，对于设计频率，主体和颈部分别具有与设计频率对应的半波长和四分之一波长的尺寸。颈部的四分之一波长尺寸是其半径，或者其宽度或长度尺寸的一半。

在波导接口的这种实施例中，屏蔽凸缘具有匹配表面，该匹配表面具有用于所述另一波导的波导开口。屏蔽凸缘适于容纳扼流凸缘，使得这些波导开口彼此面对并且这些相连的波导会被耦合。波导开口各自是环形、矩形或正方形形状，以适应其相连的波导的形状。屏蔽凸缘与由被容纳的扼流凸缘的颈部和主体形成的台阶划定空气间隙，该空气间隙具有这样的效果：即使在面对面邻接不完美以致这些波导开口的末端具有间隙(例如它们之间为0.06＂)的情况下，也能在被耦合的波导之间通过该接头而产生虚拟的连续性。事实上，波导接口可以适于在屏蔽凸缘与扼流凸缘之间维持宽松耦合，使得空气可经过其间。经过接头的虚拟连续性表现为接头两端的匹配阻抗，这可以被转换成匹配的频率响应。

这样，对于不同的间隙尺寸，在整个频带上，波导之间的接头可以表现出落在预定插入损耗水平(例如1dB)以下的插入损耗以及超过预定回波损耗水平(例如20dB)的回波损耗。优选地，屏蔽凸缘还设有从其基部足够突出的屏蔽壁，以产生用于保持所接合的扼流凸缘的机械支撑并产生用于防止能量泄漏的电阻挡。即，通过这种构造，波导接口可以产生对频率不敏感、可忽略的反射以及功率泄漏。

在波导接口的另一实施例中，扼流凸缘具有主体，该主体具有壁和基部，壁划定了其外周，而基部包括匹配表面，该匹配表面具有用于波导的开口。壁在外周周围具有偏离基部的环形槽。对于设计频率，槽具有与设计频率的半波长对应的宽度尺寸。

在该实施例中，屏蔽凸缘也具有匹配表面，该匹配表面具有用于另一波导的波导开口，该屏蔽凸缘适于与扼流凸缘接合，使得这些波导开口彼此面对并且这些相连的波导被耦合。屏蔽凸缘与所接合的带有槽的扼流椭圆划定了空气间隙，该空气间隙具有这样的效果：即使在这些波导开口之间具有间隙的情况下，被耦合的这些波导之间也能在接头两端产生虚拟连续性。

总而言之，根据本发明的原理而设计的波导接口表现出更好的机械和电特性。根据本申请中的说明、所附权利要求以及如下描述的附图，可以更好地理解本发明的这些以及其他的特征、方面和优点。

附图说明

包括在这份说明书中并构成其一部分的附图图示了本发明的各个方面，并与说明书一起用来解释其原理。在方便之处，将在这些附图中使用相同的标号来表示相同或类似的要素。

图1a—图1c图示了一种通常的波导接口，其构造成由盖件凸缘邻接扼流凸缘以在波导段之间形成接头。

图2图示了同轴旋转波导接头。

图3a—图3b示出了扼流耦合波导接头的盖件凸缘，其带有弹簧接触以使波导匹配。

图4a—图4b图示了连接点处半波槽的特性以及等效储能电路在频带内的谐振频率。

图5a—图5b图示了根据本发明的原理构造的一种波导接口，其中，所谓的台阶状扼流凸缘与屏蔽凸缘匹配以在波导段之间形成接头。

图6a—图6c以及图7a—图7d示出了波导接口的各个俯视图、剖视图和立体图，以说明根据本发明原理的波导接口设计的各种实施例。

图8a—图8c是经验化的插入损耗和回波损耗曲线图。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及波导接口。根据本发明的波导接口的设计是部分地基于这样的认识：通过合适的几何结构，两个波导之间连接点处的半波槽对于通过的波而言表现出经过传输线接头的虚拟连续性。

图4a图示了上述原理。传输线被具有半个波长尺寸(λ/2)的槽302打断。该槽类似于具有电感L和电容C的储能电路。这个类似的储能电路的谐振频率fc由下式得到：

1. $\mathrm{fc}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

谐振频率fc是频带的中心频率。图4b的曲线图示出了储能电路的谐振频率在f1与f2之间的频带内。带内谐振频率或中心频率是这样的频率：槽将被针对该频率设计，并且因此有时称为带内设计频率。

因此，几何设计可以相似，但是针对如6、13、15、18、23、26、28和38GHz的不同频率的尺寸会不同。因此，虽然尺寸不同，但是对于几何构造的描述对于不同的频率而言大体都适用。

图5是对两个波导段进行连接的波导接口的示意图。根据本发明的原理，波导接口的这种实施例被构造成用凸缘402和404来连接波导段414和416。一个凸缘404是具有台阶状扼流设计的“扼流”凸缘，而第二凸缘402是“屏蔽”凸缘。在结构上，所谓的扼流凸缘404具有颈部420，颈部420具有四分之一波长(λ/4)的半径并设计成容纳了环形波导段或波导元件414。由于这种扼流凸缘404的主体具有半个波长(λ/2)的半径，所以颈部420沿着凸缘主体的外周在基部形成了台阶406。

颈部和台阶形式用这种波导开口代替了传统上围绕着雕刻在匹配表面上的波导开口的槽。注意，除了环形形状，波导和凸缘也可以具有矩形或正方形形状。在这些情况下，也可以保持半个波长(λ/2)和四分之一波长(λ/4)的尺寸，只不过这些尺寸是长度/宽度尺寸而非半径。同样也可以采用环形与正方形或矩形的主体形状组合。还应注意，这些尺寸是针对具体频率设计的，但是如下文所述，由于这种设计的特性，这些尺寸的精度以及表面的光滑度并不像传统设计中那样关键。

再转向图5a，台阶408、409的水平和垂直面分别面对屏蔽凸缘410的水平和垂直壁，并且一起形成了围绕颈部的空气间隙418，该空气间隙具有矩形或正方形截面。在凸缘是环形的情况下，空气间隙418可以是环形的。另外，对于水平和垂直方向的表述并非表示不能通过凸缘的旋转或重新构造而采用其他方向。所谓的扼流凸缘404与屏蔽凸缘410接合，但是并不紧密，使得空气能够经过它们之间，并且填充到空气间隙418或离开空气间隙418。但是，由于扼流凸缘的前述台阶状构造和尺寸，在它与屏蔽凸缘匹配时，这些匹配的凸缘在连接点处产生了所需频率范围中虚拟的连续效果412。此外，除了机械尺寸的不精密外，这种构造还能够容忍波导开口之间的不同距离(间隙)，这种不同距离是由于水平匹配表面422的移动或者不良的面对面邻接而造成的。这些水平匹配表面之间的间隙可以达到0.06＂或更大，而不使通过波导段414、416之间的接头的连续性严重变差。

另外，由壁410竖起的机械阻挡件起到在频率范围(例如37—41GHz)上阻挡能量泄漏的作用，所述壁410从屏蔽凸缘402的基部凸起(在这种情况下沿垂直方向)。因此，虽然凸缘之间相对而言较宽松的匹配使空气能够经过它们之间，但是屏蔽凸缘壁410产生了与电能防渗垫圈(electrical energy gasket)类似的作用。

另外，空气间隙418、颈部420和台阶状表面406的几何结构是针对具体频率设计的，所得的效果可以用储能(LC)电路的效果来类比。图5b图示了具有LC元件的等效储能电路。电容C对应于空气间隙418的几何结构，而电感L对应于匹配的水平表面422之间间隙的几何结构。通过不同的LC组合，等效储能电路的Q因子和谐振频率fc发生改变，带宽也随之改变。这样，通过机械尺寸改变造成LC组合的改变，波导接头两端的连续性可以表现得更加完整或不太完整。

图6a—图6c图示了对于给两个波导段提供接口的波导接头，前述设计的一种实现形式。图6a是波导接口的俯视图。图6b是沿图6a所示A—A线的剖视图。图6c示出了接口的零件“a”和“b”，它们被分开一定程度以强调匹配的水平表面之间的间隙。在这种示例中，波导段506a—506b是矩形的。扼流凸缘504具有带有方形唇部的环形主体，屏蔽凸缘502具有环形唇部和环形主体。屏蔽凸缘的垂直壁部分510划定了围绕扼流凸缘的环形屏蔽，并与扼流凸缘的唇部一起用来阻挡能量泄漏。环形空气间隙508由屏蔽凸缘502的垂直和水平壁表面与扼流凸缘504中的台阶表面来划定。

换言之，一旦选择了频率和相应的尺寸，具有前述构造的波导接口就会产生更加可预见并且更可靠的结果，即使在不完美的制造和组装精度或随后发生了运动的情况下也是如此。这种波导接口设计减轻了(或者大体上避免了)对于凸缘之间进行有效地水密的、无间隙的、完美对准的匹配的需要。

注意，在上文或下文所述任一实施例中，匹配凸缘部件的高度和形状优选地设定成使波导接口的机械性能和电性能增强。例如，屏蔽凸缘502的垂直壁部件510的高度以及所插入的扼流凸缘部件507的高度较大，并且足以提供机械稳定性并提高对能量泄漏的阻挡能力。换言之，这些尺寸优选地设定为给匹配凸缘部件提供稳定的机械保持并密封接头以阻挡能量泄漏。

遵循上述基本原理但通过不同的构造，可以实现如图7a—图7b所示的另一波导接头。通过零件a和零件b，接口对两个矩形波导段606a—606b进行连接。具体而言，零件a是带有台阶状扼流构造508的扼流凸缘604，而零件b是波导安装凸缘或所谓的屏蔽凸缘602。可以通过将零件a604倒立翻转并把它头朝下地插入零件b602的环形开口610中，来组装波导接头。

图7c图示了对于零件a的一种可替换构造。该构造可以例如适应于具有不同形状因数(shape factor)的较小空间。在这种实施形式中，波导接口将零件a中的环形波导连接到零件b中的矩形波导。还应注意，利用了不同的几何构造来设计扼流以适应新的空间需求而实现类似的电特性。

图7d提供了图7c的可替换扼流设计沿着线B—B的更加详细的剖视图。沟道或槽被雕刻在垂直壁上，并且偏离扼流凸缘主体的基部。这里，垂直壁上的偏离的槽代替了传统的槽，否则，传统的槽将被雕刻在围绕波导开口的(垂直的)匹配表面上。在这种示例中，当屏蔽凸缘接收扼流凸缘时，在屏蔽凸缘中环形开口610的垂直壁与扼流凸缘504′的垂直壁中的沟道608′之间划定了空气间隙608′。该沟道对应于等效的低阻抗电容C，而匹配表面612之间的间隙对应于等效的高阻抗电感L。沟道或槽具有与设计频率的半波长相应的宽度。因此与前述实施例一样，通过这种几何构造，凸缘的匹配不需要气密的金属对金属接触(欧姆接触)，波导接头的电特性类似于它们在接触点的波导之间的接头两侧产生了虚拟的连续性。

连接点处波导之间的不连续性会造成组合波导的诸如插入损耗和回波损耗的特性。因此，利用前述设计来实现所需的虚拟连续性有助于在即使匹配表面的面对面邻接不是无间隙的金属对金属接触、并且间隙尺寸变化的情况下，也使插入损耗最小化并改善回波损耗。事实上，通过适当的尺寸(例如宽度、台阶尺寸)，该设计可以在频带内的所需频率处产生谐振。换言之，通过适当的扼流设计，即使间隙改变，波导也可以在所需频率范围内以可预计的方式工作。

图8a的示意图示出了在0.06＂间隙的情况下阻抗匹配的和不匹配的设计将会表现出的经验化插入损耗。对于不同的间隙尺寸，利用良好匹配的阻抗进行的过渡随之产生了良好匹配的频率响应。不匹配阻抗的设计使用了基于传统扼流的凸缘构造，而匹配的设计使用的凸缘具有如上所述的新的扼流设计之一。对于不匹配的设计，在频率范围的高端所显示的高插入损耗表明了近区谐振(near-by resonance)。在根据本发明的各种实施例的阻抗匹配设计情况下，插入损耗被最小化并且明显接近0dB。

图8b示出了通过阻抗匹配的和不匹配的设计将会获得的回波损耗的经验值。不匹配的设计同样使用了基于传统扼流的凸缘，而匹配的设计使用了具有上述新的扼流之一。理想情况下，在没有间隙时，希望回波损耗在整个频带上被维持在20dB或更高的水平，而通过不匹配的设计，对于0.06＂的间隙，回波损耗处于5—10dB的低水平。通过匹配的设计(消除了不匹配的设计的谐振)，对于0.06＂间隙的回波损耗在整个频率范围上等于或高于(在绝对值方面)22dB。由匹配阻抗设计提供的这种改善对于不同的间隙尺寸也应该成立，如图8c所示，对于不同间隙尺寸的回波损耗值超过了20dB。

总的来说，根据本发明的原理而实现的波导接口具有使谐振最小化的波导过渡情况，而所述谐振本来可能在整个频率范围上引入不良回波损耗和高插入损耗。这些波导接口被设计成容忍凸缘的匹配表面之间的间隙以及较低的零件精度水平。另外，这些波导接口所需零件更少，不需要弹簧接触或摩擦接触来进行电连接。

值得一提的是，这些新的波导接口设计适合于、并且能够被实施来在任何类型的系统或环境中的波导之间进行连接。例如，这些新的波导设计之一能够被实施来在微波天线的主馈电喇叭(primary feed horn)与微波收发器的双工器之间进行连接。在另一种示例中，这些波导接口设计可以用于测试设备的波导之间的连接件中。

最后，尽管已经参照本发明的某些优选形式非常详尽地描述了本发明，但是也可以有其他形式。因此，所附权利要求的精神和范围不应限于对这里所含优选形式的描述和图示。

Claims (21)

1.一种波导接口，包括：

扼流凸缘，其与波导相连并具有主体和颈部，所述主体具有外周和基部，所述颈部沿着所述主体的所述外周在所述基部处形成台阶，所述颈部具有匹配表面，所述匹配表面具有用于所述波导的开口，其中，对于设计频率，所述主体和所述颈部分别具有与所述设计频率对应的半波长和四分之一波长的尺寸；

屏蔽凸缘，其与另一波导相连并具有匹配表面，所述匹配表面具有用于所述另一波导的波导开口，所述屏蔽凸缘适于容纳所述扼流凸缘，使得所述波导开口彼此面对并且所述相连的波导被耦合，所述屏蔽凸缘与由被容纳的所述扼流凸缘的所述颈部和主体形成的台阶划定空气间隙，所述空气间隙具有即使在所述波导开口之间具有间隙的情况下也能在被耦合的所述波导之间通过接头而产生虚拟连续性的效果。

2.根据权利要求1所述的波导接口，适于在所述屏蔽凸缘与所述扼流凸缘之间维持宽松耦合，使得空气可经过其间。

3.根据权利要求1所述的波导接口，其中，所述颈部的四分之一波长尺寸是其半径，或者其宽度或长度尺寸的一半。

4.根据权利要求1所述的波导接口，其中，所述颈部与所述主体基本上同心。

5.根据权利要求1所述的波导接口，其中，所述波导开口各自是环形、矩形或正方形形状以适应与之相连的波导的形状。

6.根据权利要求1所述的波导接口，其中，所述屏蔽凸缘还设有从其基部突出的屏蔽壁，所述屏蔽壁足以产生用于保持所容纳的扼流凸缘的机械支撑并产生用于防止能量泄漏的电阻挡。

7.根据权利要求1所述的波导接口，其中，即使在所述波导开口之间的间隙尺寸变化的情况下，所述波导之间的接头也在频带上表现出落在预定插入损耗水平以下的插入损耗以及超过预定回波损耗水平的回波损耗。

8.根据权利要求1所述的波导接口，其中，所述波导开口之间的所述间隙的尺寸从0.00＂至0.06＂变化。

9.根据权利要求1所述的波导接口，其中，在所述波导接口的中心轴线的每侧，所述空气间隙与所述波导开口之间的间隙的组合等效于储能电路，所述储能电路具有与所述设计频率大致相等的中心频率。

10.根据权利要求1所述的波导接口，其中，由所述台阶形成的所述空气间隙具有正方形或矩形截面的环形形状。

11.根据权利要求1所述的波导接口，其中，所述虚拟连续性表现为所述接头两端被转换成匹配频率响应的匹配阻抗。

12.一种波导接口，包括：

扼流凸缘，其与波导相连并具有主体，所述主体具有壁和基部，所述壁划定了其外周，所述基部包括匹配表面，所述匹配表面具有用于所述波导的开口，所述壁具有偏离所述基部的环形槽，其中，对于设计频率，所述槽具有与所述设计频率的半波长对应的宽度尺寸；

屏蔽凸缘，其与另一波导相连并具有匹配表面，所述匹配表面具有用于所述另一波导的波导开口，所述屏蔽凸缘适于与所述扼流凸缘接合，使得所述波导开口彼此面对并且所述相连的波导被耦合，所述屏蔽凸缘与带有所述槽的所述扼流椭圆接合划定了围绕所述外周的环形空气间隙，所述环形空气间隙具有即使在所述波导开口之间具有间隙的情况下被耦合的所述波导之间也能在接头两端产生虚拟连续性的效果。

13.根据权利要求12所述的波导接口，适于在所述屏蔽凸缘与所述扼流凸缘之间维持宽松耦合，使得空气可经过其间。

14.根据权利要求12所述的波导接口，其中，所述槽与所述扼流凸缘的所述主体基本上同心。

15.根据权利要求12所述的波导接口，其中，所述波导开口各自是环形、矩形或正方形形状以适应与之相连的波导的形状。

16.根据权利要求12所述的波导接口，其中，所述屏蔽凸缘还设有从其基部突出的屏蔽壁，所述屏蔽壁足以产生用于保持所接合的扼流凸缘的机械支撑并产生用于防止能量泄漏的电阻挡。

17.根据权利要求12所述的波导接口，其中，即使在所述波导开口之间的间隙尺寸变化的情况下，所述波导之间的接头也在频带上表现出落在预定插入损耗水平以下的插入损耗以及超过预定回波损耗水平的回波损耗。

18.根据权利要求12所述的波导接口，其中，所述波导开口之间的所述间隙的尺寸从0.00＂至0.06＂变化。

19.根据权利要求12所述的波导接口，其中，在所述波导接口的中心轴线的每侧，所述空气间隙与所述波导开口之间的间隙的组合等效于储能电路，所述储能电路具有与所述设计频率大致相等的中心频率。

20.根据权利要求12所述的波导接口，其中，所述环形空气间隙具有正方形或矩形截面。

21.根据权利要求12所述的波导接口，其中，所述虚拟连续性表现为所述接头两端被转换成匹配频率响应的匹配阻抗。

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