CN103268971A - 小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器 - Google Patents

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周雁翎
王小陆
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Abstract

本发明涉及小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器。该转换器包括圆形波导，其一端封闭为短路端，另一端开口；在圆形波导的短路端中央设有一个同轴接头，同轴接头的轴向与圆形波导内的电磁场传输方向一致；同轴接头的内导体伸入到圆形波导内部，其端部连接一个三级以上金属阶梯阻抗变换块，阶梯阻抗变换的底面和圆形波导内壁相连。本发明实现了端馈式同轴线到圆形波导的转换器的小型化设计，改变阶梯阻抗变换块的级数可满足不同工作带宽的要求。本发明转换器加工可制造性好，实验调试方便。例如在X频段小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器长度可由现有结构型式的110毫米减小到60毫米，在Ku频段，转换器长度可由70毫米减小到40毫米。

Description

小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，具体涉及一种同轴线到圆形波导的转换器。
背景技术
同轴线到圆形波导的转换器是一种具有广泛用途的微波器件，在同时采用圆形波导和同轴线作传输线的微波系统中几乎都会用到，圆形波导可以多模式、多极化工作，因此同轴线到圆形波导的转换器在微波极化捷变技术中应用尤其普遍，也非常重要。常见的同轴线到圆形波导的转换器通常是采用一个端馈式同轴线到矩形波导的转换器和一个矩形波导到圆形波导的变换器组合而成，如图8所示。图8是同轴线到圆形波导的转换器现有结构示意图，图中左半部分是一个端馈式同轴线到矩形波导的转换器，右半部分是一个矩形波导到圆形波导的变换器，二者组合成端馈式同轴线到圆形波导的转换器。
图8所示的端馈式同轴线到圆形波导的转换器这种现有结构方式往往存在以下缺陷：1、尺寸较大，通常在X波段长度达到110mm，Ku波段长度达到70mm；2、不易于加工制造，这种结构比较复杂，需要设计同轴线到矩形波导的转换器和矩形波导到圆形波导的转换器，尤其是矩变圆的时候波导内部不规则和不对称变化导致加工困难，通常需要采用精密电铸的加工方法，制造成本比较昂贵；3、矩形波导到圆形波导的转换器电铸加工成型后，波导内部各尺寸无法更改，也就无法在实验中进行调试修正，一旦加工超差，则整体性能不能满足使用要求，只能报废；4、安装、装配比较麻烦，端馈式同轴线到矩形波导的转换器，矩形波导到圆形波导的变换器之间常常需要采用法兰连接。
发明内容
为了解决现有同轴线到圆形波导的转换器存在的尺寸较大、不易于加工制造、不方便实验过程调整修正等问题，本发明提供一种小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器。
本发明的技术解决方案如下：
小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器包括管状的圆形波导1，其一端封闭为短路端2，另一端开口；在圆形波导1的短路端2设有一个同轴接头3，同轴接头3的轴向与圆形波导内的电磁场传输方向一致；同轴接头3的内导体4深入到圆形波导1的内部，且连接着三级以上金属阶梯阻抗变换块5的第一级，三级以上金属阶梯阻抗变换块5的底部与圆形波导1的内壁相连；三级以上金属阶梯阻抗变换块5的第一级与圆形波导1的短路端2之间的内导体4上包裹有聚四氟乙烯匹配介质环6。
同轴接头3位于圆形波导1的短路端中央，同轴接头3的轴向与圆形波导1内的电磁场传输方向一致。
同轴接头3的内导体4伸入到圆形波导1内部的深度为八分之一转换器工作波长，所述聚四氟乙烯匹配介质环6的外直径小于同轴接头3的外导体内直径。
所述三级以上金属阶梯阻抗变换块5的宽度在圆波导内半径的四分之一到二分之一之间，且各级的宽度相同；三级以上金属阶梯阻抗变换块5的第一级长度为八分之一转换器工作波长，高度为圆形波导1内直径的四分之三，第二级及其之后的各级的长度均为四分之一转换器工作波长，高度按等差数列递减；
所述三级以上金属阶梯阻抗变换块5的底面为圆弧面，且与圆形波导1的内壁吻合，三级以上金属阶梯阻抗变换块5与圆形波导1的内壁之间用螺钉固定连接，调试时方便拆卸进行尺寸微调；
所述三级以上金属阶梯阻抗变换块5可以根据工作带宽要求改变级数，带宽宽则级数多，带宽窄则级数少。
本发明的优点在于：
首先，本发明器件结构紧凑，尺寸小型化，例如在X波段器件长度可以做到60mm，在Ku频段，转换器长度可以做到40mm；其次，本发明结构简单，易于加工制造，并且加工成本较低；第三，实验安装、调试方便，同轴接头3的内导体4和三级以上金属阶梯阻抗变换块5之间可以采用螺纹连接或插针连接，三级以上金属阶梯阻抗变换块5和圆形波导1之间采用可拆卸的方式连接，调试过程中；可以方便进行微调，补偿因加工误差带来的不利影响，以便达到最理想的电气性能。
本发明实现了端馈式同轴线到圆形波导的转换器结构小型化，并且其结构加工可制造性好，实验调试方便。例如在X频段转换器长度可由目前常用的组合式110毫米减小到60毫米，在Ku频段，转换器长度可由70毫米减小到40毫米。
附图说明
图1为本发明转换器结构示意图（五级阶梯阻抗变换块）。
图2为图1的俯视图（五级阶梯阻抗变换块）。
图3为本发明转换器纵向剖视图（五级阶梯阻抗变换块）。
图4为本发明转换器纵向剖视图（七级阶梯阻抗变换块）。
图5为本发明Ku频段转换器设计实例仿真计算曲线（五级阶梯阻抗变换块）。
图6为本发明Ku频段转换器设计实例仿真计算曲线（七级阶梯阻抗变换块）。
图7为本发明X频段转换器设计实例仿真计算曲线（七级阶梯阻抗变换块）。
图8为端馈式同轴线到圆形波导的转换器现有结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
Ku频段，工作频率为11GHz～15GHz，采用5级阶梯阻抗变换块结构。
参见图1、图2和图3，小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器包括管状的圆形波导1，其一端封闭为短路端2，另一端开口；在圆形波导1的短路端2中央设有一个同轴接头3，同轴接头3的轴向与圆形波导内的电磁场传输方向一致；同轴接头3的内导体4深入到圆形波导1的内部，且连接着五级金属阶梯阻抗变换块5的第一级，内导体4伸入到圆形波导1内部的深度为八分之一转换器工作波长。五级金属阶梯阻抗变换块5的底面为圆弧面，且与圆形波导1的内壁吻合相连；五级金属阶梯阻抗变换块5的第一级与圆形波导1的短路端2之间的内导体4上包裹有聚四氟乙烯匹配介质环6，聚四氟乙烯匹配介质环6的外直径小于同轴接头3的外导体内直径。五级金属阶梯阻抗变换块5与圆形波导1的内壁之间采取可拆卸方式相连，即将变换块用螺钉固定在圆波导上，调试时方便拆卸进行尺寸微调。
1、圆形波导1和同轴接头3的选取
一般根据所要求的工作频率范围，选取相应口径的圆形波导：圆形波导直径15mm；同轴接头3可根据使用需要选取SMA标准同轴接头。
2、参数的确定
内导体4伸入到圆形波导1内部的深度为八分之一转换器工作波长；介质环6的外直径为2.65mm；五级阶梯阻抗变换块5的宽度为2.2mm；各级的宽度相同；五级阶梯阻抗变换块5的第一级长度为八分之一转换器工作波长，高度为圆形波导1内直径的四分之三，第二级及其之后的各级长度均为四分之一转换器工作波长，高度按等差数列递减。
图5是五级阶梯Ku频段转换器设计实例仿真计算曲线，由图5可见转换器端口反射系数优于20dB的频带宽度达到1.25GHz（13.35～14.6GHz频率范围）。
实施例2
Ku频段，工作频率为11GHz～15GHz，采用七级阶梯阻抗变换块结构，参见图4。
1、圆形波导1和同轴接头3的选取
一般根据所要求的工作频率范围，选取相应口径的圆形波导：圆形波导直径16.5mm；同轴接头3可根据使用需要选取SMA标准同轴接头。
2、参数的确定
内导体4伸入到圆形波导1内部的深度为八分之一转换器工作波长；介质环6的外直径为2.65mm；七级阶梯阻抗变换块5的宽度为2.6mm；各级的宽度相同；七级阶梯阻抗变换块5的第一级长度为八分之一转换器工作波长，高度为圆形波导1内直径的四分之三，第二级及其之后的各级长度均为四分之一转换器工作波长，高度按等差数列递减。
图6是七级阶梯Ku频段转换器设计实例仿真计算曲线，由图6可见转换器端口反射系数优于20dB的频带宽度达到3.2GHz（11.2～14.4GHz频率范围）。
实施例3
X频段，工作频率为8GHz～12GHz，采用七级阶梯阻抗变换块结构，参见图4。
1、圆形波导1和同轴接头3的选取
一般根据所要求的工作频率范围，选取相应口径的圆形波导：圆形波导直径20mm；同轴接头3可根据使用需要选取SMA标准同轴接头。
2、参数的确定
内导体4伸入到圆形波导1内部的深度为八分之一转换器工作波长；介质环6的外直径为2.65mm；七级阶梯阻抗变换块5的宽度为4.8mm；各级的宽度相同；七级阶梯阻抗变换块5的第一级长度为八分之一转换器工作波长，高度为圆形波导1内直径的四分之三，第二级及其之后的各级长度均为四分之一转换器工作波长，高度按等差数列递减。
图7是七级阶梯X频段转换器设计实例仿真计算曲线，由图7可见转换器端口反射系数优于20dB的频带宽度达到2.4GHz（9.17～11.57GHz频率范围）。

Claims (4)

1.小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器，其特征在于：包括管状的圆形波导（1），其一端封闭为短路端（2），另一端开口；在圆形波导（1）的短路端（2）设有一个同轴接头（3），同轴接头（3）的轴向与圆形波导内的电磁场传输方向一致；同轴接头（3）的内导体（4）深入到圆形波导（1）的内部，且连接着三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）的第一级，三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）的底部与圆形波导（1）的内壁相连；三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）的第一级与圆形波导（1）的短路端（2）之间的内导体（4）上包裹有聚四氟乙烯匹配介质环（6）。
2.根据权利要求1所述的小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器，其特征在于：同轴接头（3）位于圆形波导（1）的短路端中央，同轴接头（3）的轴向与圆形波导（1）内的电磁场传输方向一致。
3.根据权利要求1所述的小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器，其特征在于：同轴接头（3）的内导体（4）伸入到圆形波导（1）内部的深度为八分之一转换器工作波长，所述聚四氟乙烯匹配介质环（6）的外直径小于同轴接头（3）的外导体内直径。
4.根据权利要求1所述的小型化端馈式同轴线到圆形波导的转换器，其特征在于：所述三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）的宽度在圆波导内半径的四分之一到二分之一之间，且各级的宽度相同；三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）的第一级长度为八分之一转换器工作波长，高度为圆形波导（1）内直径的四分之三，第二级及其之后的各级的长度均为四分之一转换器工作波长，高度按等差数列递减；所述三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）的底面为圆弧面，且与圆形波导（1）的内壁吻合，三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）与圆形波导（1）的内壁之间用螺钉固定连接，调试时方便拆卸进行尺寸微调；
三级以上金属阶梯阻抗变换块（5）可以根据工作带宽要求改变级数，带宽宽则级数多，带宽窄则级数少。
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