CN102509832A

CN102509832A - 一种宽带轴向波导同轴转换器

Info

Publication number: CN102509832A
Application number: CN2011103108813A
Authority: CN
Inventors: 李磊; 雷国忠
Original assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Current assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：金属调配快固定在波导宽边上，其一端为圆柱体，与圆柱体衔接的为5级矩形块；金属调配快的圆柱体端面紧贴在绝缘子的端面上，绝缘子的介质外壳固定在波导端面的金属壁上；同轴接头通过绝缘子与金属调配快的圆柱体连接，同轴接头的探针穿过绝缘子内芯插入金属调配块中。本发明提出宽带轴向波导同轴转换器，能够提高工作带宽，实现在各波导型号支持的全频带内都具有良好转换性能的波导同轴转接器。这种转接器不仅要求插入损耗低，驻波小，一致性好，成本低，而且要易于批量化生产，调试量低。

Description

一种宽带轴向波导同轴转换器

技术领域

本发明涉及一种宽带轴向波导同轴转换器，属电路技术领域，具体是利用波导管、绝缘子、调配块及同轴接头实现同轴方向与波导传输方向相同的宽频带波导同轴转换器，本转换器适用于L，S，C，X，Ku，K，Ka，U等微波频段。

背景技术

波导同轴转换器是现代雷达搜索、信息通信及电子对抗中的天馈线、发射机、接收机、分配/合成器等设备保证信号连接的重要器件。

波导同轴转换器的主要功能是：实现微波信号从波导系统到同轴系统或从同轴系统到波导系统的低损耗过渡。国内外相关资料中，波导同轴转换器大都采用正交结构形式，同轴接头安装在波导宽边上，方向与波导传输方向相垂直；除此以外也有少数波导同轴转换器也可以实现沿波导传输方向转换，但是工作带宽都比较窄，一般仅为20％×f₀(f₀为中心频率)。

与正交结构形式的波导相比，这种沿波导传输方向的转换器形式，更易于与各类组件集成，这样的结构形式能够保证在不改变组件的端口连接的方向的情况下，完成信号在两个系统间的转换。

随着科技的不断发展，各类管芯、器件、组件等的工作频带越来越宽，只有20％×f₀带宽的普通转换器已不能满足各类设计的要求，尤其是电子对抗领域对超宽带工作的要求更为苛刻，使得宽带轴向波导同轴转换器的需求愈加迫切。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种宽带轴向波导同轴转换器，一种能够提高工作带宽，实现在各波导型号支持的全频带内都具有良好转换性能的波导同轴转接器。这种转接器不仅要求插入损耗低，驻波小，一致性好，成本低，而且要易于批量化生产，调试量低。

本发明的思想在于：是利用不同形状和尺寸阶梯过渡的形式来提高波导同轴转换器的带宽，不同的尺寸会引入不同的谐振极点，多个不同的相近极点可以大大提高波导同轴转换器的带宽。现有技术仅采用金属长方体阶梯实现，这样虽然能增加一部分带宽，但仍很难满足大带宽信号传输的要求；而且调配块的安装位置难固定、易偏移，会降低转换器的一致性，而且也增加了调试量。

技术方案

一种宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于包括同轴接头1、绝缘子2、金属调配快5、波导端口7、波导宽边6和波导端面4；金属调配快5固定在波导宽边6上，其一端为圆柱体，与圆柱体衔接的为5级矩形块；金属调配快5的圆柱体端面紧贴在绝缘子2的端面上，绝缘子2的介质外壳固定在波导端面的金属壁上；同轴接头1通过绝缘子2与金属调配快5的圆柱体连接，同轴接头1的探针穿过绝缘子内芯3插入金属调配块中；所述金属调配快5的圆柱体直径为绝缘子2外径的55％，长度为0.1～0.3mm，与圆柱体衔接的第一级矩形块的长度为圆柱体轴向长度的3倍，其截面为正方形，边长为绝缘子2外径的60％；后4级矩形块的一个边以波导宽边6为基准底边，宽度相同，高度逐级降低，长度逐级加长；与正方形衔接的矩形块的高度为波导内壁高/2与绝缘子的半径之和，长度为波导内壁高的20～30％；后3级的高度依次为波导内壁高的一半与绝缘子2的半径和的50％，30％，15％，长度依次上一级的2倍，2.5倍，3倍。

所述绝缘子2的端面与波导端面外壁平齐，其中心与调配块的圆柱体的中心重合，而且位于波导端面的中心位置。

所述绝缘子2紧密焊接在波导端面之上。

所述金属调配块5位于波导宽边的中心线上，后4级矩形块的一个边与波导宽边采用焊接连接。

所述波导端面金属壁厚度与绝缘子2外圆柱体长度相同，使得焊接后绝缘子2外圆柱的两端面与波导端面内外壁相平齐。

所述同轴接头1为3.5mm、2.92mm或2.4mm的中心为空的同轴接头。

所述绝缘子2内填充介质为聚四氟乙烯或二氧化硅。

在Ku波段时所述绝缘子2采用介质外径4mm、金属芯直径0.8mm。

在Ka波段时所述绝缘子2采用介质外径1.5mm、金属芯直径0.3mm。

有益效果

本发明提出的一种宽带轴向波导同轴转换器，与现有技术相比，具有以下特点：

[1]本发明中，采用了先圆柱体后长方体再长方体阶梯过渡这种特殊的结构形式，大大增加了这种轴向波导同轴转换器的工作频带宽度，大大增加了这种轴向波导同轴转换器的通用性，仅以一种结构形式就可以覆盖某一波导型号的整个带宽。如BJ-140(12.4～18GHz)，可以在这整个带宽内保持良好性能。

[2]本发明中，同轴接头1与波导过渡引入了绝缘子2这种中间器件，既可以实现同轴电缆系统与波导的转换，也可以利用绝缘子2完成微带电路到波导系统的良好过渡。而且烧结的绝缘子2也具有良好的气密性和防水性。

[3]本发明中，设计的金属圆柱体的直径小于绝缘子2的绝缘介质外径，然后使金属调配块5的圆柱体端面直接与绝缘子2端面相接触，使之紧紧顶在绝缘子2的介质端面上，这样的设计方式，降低了调配块的安装难度，增加了装配的一致性，提高了工作效率，也减少了调试量，易于大批量生产。

附图说明

图1：本发明的宽带轴向波导同轴转换器结构图

1-同轴接头，2-绝缘子，3-绝缘子内芯，4-波导端面，5-金属调配快，6-波导宽边，7-波导端口。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，以SMA接头(3.5mm同轴接头1)为例，它为插孔形式的接头，套在端面上绝缘子2伸出的内导体探针上，它的作用就是将电缆或其他系统通过接头传给它的信号传递到绝缘子2。然后绝缘子2的内导体探针的另一端插入到金属调配块5中，这个金属调配块5与绝缘子2紧密连接的部分为圆柱体，然后过渡为金属长方体，再经过多级阶梯完全过渡到波导系统，这一部分就是将同轴系统中的放射状的电场转换到波导的垂直型的电场，是整个设计的核心部分。这个转接器为微波互易网络，信号也可以从波导平滑的过渡到SMA接头。

采用同轴金属芯阶梯变换和金属长方体阶梯变换相结合的方式，设计出金属调配块5，它与同轴绝缘子2相连构成了一种同轴接头安装在波导端面上，同轴芯线方向与波导传输方向相同的波导同轴转换器。这个转换器为互易的双端口器件，不论是同轴接头1还是波导端口都可以成为信号的输入或输出端，而且支持的工作频带很宽，能够支持一个波导型号能传输的全频带宽度的信号。

所述的波导内的金属调配块5，最先与绝缘子2相连接的是与之同心的金属圆柱体，与绝缘子内芯3组成了同轴的阶梯过渡部分，它的一端与绝缘子2的端面紧密相接；另一端连接到圆柱体同心的金属长方体，这种变化不仅是金属内芯的阶梯变换，从绝缘子2到波导的过渡时，金属外壁也从圆柱型过渡到长方体，而且内部介质从聚四氟乙烯等变为空气，这部分转换完成了增加工作带宽和对电场进行引向的初步功能。

所述的波导内的调配块，圆柱体与长方体组合后再和一个四级阶梯过渡金属长方体组合在一起，这个阶梯长方体要求与波导宽边紧密焊接在一起，位置在波导宽边的中心线上；这个四级阶梯长方体的宽度均相同，约为波导宽边的三分之一，而四级长方体高度逐级递减(第一级高度为波导内壁高的一半与绝缘子2的半径和，其他依次为第一级的50％，30％，15％)，并且沿着传输方向的长度则逐级加长(第一级约为内壁高的20～30％，其他依次为第一级的2倍，2.5倍，3倍左右)，调配块的这部分主要是完成增加工作带宽的功能，它将电场方向逐渐引导的和波导主模的方向相同。

绝缘子2的中心与调配块的圆柱体的中心重合，而且要安装在波导端面的中心位置，绝缘子2的内芯直径要小于圆柱体的直径，这样可以与圆柱体组成同轴阶梯，它的一端与金属圆柱体焊接在一起；绝缘子2的内芯的另一端可与同轴接头1的内芯相连在一起，能实现同轴接头1与波导的转换，也可与微带连接在一起，实现微带到波导的过渡；绝缘子2的外壁与波导端面焊接在一起，而且要大于调配块圆柱体的直径，以保证信号能够从相接的缝传输进波导中；绝缘子2起到信号过渡与多种适应性的功能。

绝缘子2的端面金属壁厚度与绝缘子2相同，要求焊接后端面金属壁两面与绝缘子2端面相平齐，这样组装过程中调配块的圆柱体的端面可以紧紧顶在绝缘子2的端面上，提高了调配块装配的一致性，降低了装配的难度并减少了调试难度；而且外部的同轴接头1与绝缘子2相连时，绝缘子2端面与波导端面外壁平齐，使得同轴接头1与波导外壁能够良好接触，提高了屏蔽作用，降低了插入损耗。

焊接在波导端面上的绝缘子2，位置端面的矩形中心处，不同频段采用不同规格的绝缘子2(例如Ku波段采用介质外径4mm、金属芯直径0.8mm的类型，而Ka波段就为外径1.5mm、金属芯直径0.3mm的类型)。绝缘子2型号的选择与波导的工作频率范围有关，工作频率越高，绝缘子2则越细。采用这种结构形式是有四个作用：第一个作用是将外部同轴系统与波导内部的调配块连接在一起，不仅要求绝缘子2的介质的外部金属外壳要与波导壁紧密的连接在一起，而且金属内芯插入调配块中要与之紧密相连，实现电场向波导中的阶梯过渡；第二个作用是如图1中，绝缘子2的端面在焊接中与波导内壁平齐，可以保证调配块安装时能直接将圆柱体紧紧顶在绝缘子2的端面上，保证的装配中的一致性，降低了调试量；第三个作用是利用焊接技术，将绝缘子2紧密的焊接在波导端面之上，这种形式可以将波导腔内和外界完全隔离，密封性好，可以在一些有防水，防烟雾，气密要求的系统中使用；第四个作用是采用绝缘子2后转换器的适应性更广，既可以如图1中形式连接上同轴接头1实现波导与同轴线系统的转换，也可以直接将绝缘子2的金属内芯焊接在微带线上实现波导与微带系统的转换。

作为转换器核心部分的调配块，它将5级不同形状的金属块组合在一起，一次加工而成，而其中每一级都有自己的作用。其中第一级圆柱体与绝缘子2金属芯相连，圆柱体与绝缘子2同心，主要是起到同轴的阶梯过渡的作用；紧接着的第二级金属长方体，它的中心与第一级的圆柱体的中心也相互重合，这一级变化的作用是起到同轴的阶梯过渡向矩形金属阶梯过渡的作用；第三级金属块为与波导宽边相接的金属长方体，其中心线与第二级的金属长方体的中心线相互重合，也与波导宽边的中心线相重合，它的作用是将经过两级金属过渡使电场由放射状向纵向过渡，也是起波导阻抗变换第一级的作用；第四、五、六级金属长方体的高度逐级降低，而长度是逐级增大，它的作用是起到波导阻抗变换的作用，多级阻抗变换会增加工作频带宽度，降低不连续性。这个一体化的金属调配块5的作用有以下几点：一、电场变换的作用，调配块引导着电场从同轴系统的放射状向波导系统梳状平滑过渡，微波信号的电场沿着调配块的四周缓慢扭转为波导传输的纵向形式；二、增加工作带宽的作用，多级阻抗变换利用多谐振点组合的原理增加了信号通带，降低了带内信号传输的不连续性，减少了反射信号，降低了端口驻波和插入损耗，提高了转换效率。

本发明使电场在波导中由放射状向梳状变化，利用圆柱体与矩形长方体相结合的形式，来降低电场变化中的不连续性，从而降低了端口驻波，同时也提高了转换效率，降低了转换器的插入损耗。同轴接头1的探针插入金属阶梯之中，与之紧密相连，先连接到一个小的金属圆柱体(其直径约为绝缘子2外径的55％，长度为0.1～0.3mm)，然后过度到一个稍大于金属圆柱体直径的金属长方体(其宽高相等，约为绝缘子2外径的60％，长度约为金属圆柱体厚度的3倍左右)，这两个阶梯的作用是为了让电场能够平缓的从均匀的放射状向横平竖直的状态过渡，同时也是为了增加工作频带宽度。再与之相接的是一个宽度约为波导宽边1/3、高度超过波导窄边内壁二分之一高度的金属矩形块(高度约为波导内壁高的一半与绝缘子2的半径和，长度约为内壁高的20～30％)，它的作用是为了将电场进一步向与窄边平行的方向过渡。然后的三级金属矩形块过渡，高度一级比一级依次降低(分别为波导内壁高的一半与绝缘子2的半径和的50％，30％，15％)，但是长度不断加长(分别为上一级的2倍，2.5倍，3倍左右)，作用主要是为了增加频带宽度。整个这五级金属块为一个整体调配块的，焊接在宽边的底上。同轴接头1与调配块的连接是通过绝缘子2做中间级转接实现的，调配块的圆柱体端面紧贴在绝缘子2的端面上，绝缘子2的介质外壳焊接在波导端面的金属壁上，然后将中心探针插入调配块中进行焊接在一起，绝缘子2的另一段插上中心为空的3.5mm、2.92mm或2.4mm的同轴接头1。这种形式的波导同轴转换器，可以在一个波导型号支持的全频带内保证良好的插入损耗和端口驻波，解决了信号过渡大带宽工作频带需求的问题。

Claims

1.一种宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于包括同轴接头(1)、绝缘子(2)、金属调配快(5)、波导端口(7)、波导宽边(6)和波导端面(4)；金属调配快(5)固定在波导宽边(6)上，其一端为圆柱体，与圆柱体衔接的为5级矩形块；金属调配快(5)的圆柱体端面紧贴在绝缘子(2)的端面上，绝缘子(2)的介质外壳固定在波导端面的金属壁上；同轴接头(1)通过绝缘子(2)与金属调配快(5)的圆柱体连接，同轴接头(1)的探针穿过绝缘子内芯(3)插入金属调配块中；所述金属调配快(5)的圆柱体直径为绝缘子(2)外径的55％，长度为0.1～0.3mm，与圆柱体衔接的第一级矩形块的长度为圆柱体轴向长度的3倍，其截面为正方形，边长为绝缘子(2)外径的60％；后4级矩形块的一个边以波导宽边(6)为基准底边，宽度相同，高度逐级降低，长度逐级加长；与正方形衔接的矩形块的高度为波导内壁高的一半与绝缘子的半径之和，长度为波导内壁高的20～30％；后3级的高度依次为波导内壁高的一半与绝缘子(2)的半径之和的50％，30％，15％，长度依次上一级的2倍，2.5倍，3倍。

2.根据权利要求1所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：所述绝缘子(2)的端面与波导端面外壁平齐，其中心与调配块的圆柱体的中心重合，而且位于波导端面的中心位置。

3.根据权利要求1或2所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：所述绝缘子(2)紧密焊接在波导端面之上。

4.根据权利要求1所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：所述金属调配块(5)位于波导宽边的中心线上，后4级矩形块的一个边与波导宽边采用焊接连接。

5.根据权利要求1所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：所述波导端面金属壁厚度与绝缘子(2)外圆柱体长度相同，使得焊接后绝缘子(2)外圆柱的两端面与波导端面内外壁相平齐。

6.根据权利要求1所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：所述同轴接头(1)为3.5mm、2.92mm或2.4mm的中心为空的同轴接头。

7.根据权利要求1所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：所述绝缘子(2)内填充介质为聚四氟乙烯或二氧化硅。

8.根据权利要求1所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：在Ku波段时所述绝缘子(2)采用介质外径4mm、金属芯直径0.8mm。

9.根据权利要求1所述的宽带轴向波导同轴转换器，其特征在于：在Ka波段时所述绝缘子(2)采用介质外径1.5mm、金属芯直径0.3mm。