CN104393387A - 一种利用滑动活塞进行调谐的孔耦合调谐装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用滑动活塞进行调谐的孔耦合调谐装置，包括耦合孔1、波导2、同轴线-波导转换器3和滑动活塞4；波导2的一端设有耦合孔1，其另一端设置滑动活塞4，滑动活塞4构成波导2的短路面，通过移动滑动活塞4调节短路面在波导2中的位置，同轴线-波导转换器3设置于波导2的波导壁上，且在水平位置上同轴线-波导转换器3位于耦合孔1与滑动活塞4之间。本发明通过滑动活塞调谐改变孔耦合的耦合大小，操作简单，结构一致性和可靠性高，强度稳定性好，解决了常规孔耦合的模式不纯、可靠性低的问题，可以方便的应用到需要对耦合系数进行准确调整的谐振腔中，特别是有一个以上的耦合系数需要准确调节的谐振腔。

Description

一种利用滑动活塞进行调谐的孔耦合调谐装置

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种通过滑动活塞调节谐振腔耦合系数的孔耦合调谐装置。

背景技术

准确实现所需耦合度对微波谐振腔的应用十分重要，在谐振腔的大功率应用中，为了保护信号源和提高功率传输效率，要求回波损耗大，因此谐振腔需要工作在临界耦合状态，以获得尽可能小的功率反射。在基于抑制载波谐振腔的低相位噪声振荡器设计中，为了最大程度的抑制载波和满足振荡条件，实现低相位噪声且具有一定功率电平的点频输出，谐振腔的输入端需要取得在某一既定的弱临界耦合系数，而其输出端也需要保持某一既定的弱耦合度。由于加工精度的局限，在实际的制作中，既定耦合往往难以准确的获得，通常需要进行反复调试才能得到所需的反射。目前，常用的谐振腔激励耦合方式有探针耦合，环耦合，孔耦合。附图1为利用同轴线实现的探针耦合，附图2为利用同轴线实现的环耦合，在实际制作过程中，这两种耦合往往采用手工操作完成：先调节同轴线伸入腔体的长度以获得所需的耦合系数，再将同轴线外导体焊接在谐振腔腔体上将耦合固定。焊接的加热过程中同轴线可能发生移动或加热形变，因此成型后的结果往往与先前的调试结果有差别。因此采用探针耦合和环耦合的方式往往需要多次尝试，才能获得所需耦合度。由于输入端耦合系数和输出端耦合系数通常相互影响，对于输入输出端均需要取得既定耦合度谐振腔的设计制作，往往非常困难。采用孔耦合作为电磁场激励的谐振腔，往往需要通过波导同轴转换器对电磁能量进行传递,如附图3所示。与探针耦合和环耦合相比，孔耦合制作通常是靠机械加工，其形状容易控制，且不需要手工焊接，因此其激励的模式更加纯净，强度稳定性要好。但是由于加工误差的存在，实际的耦合孔尺寸往往与设计尺寸不一致，导致实际耦合度并非仿真设计值。一旦加工成型耦合孔不能随意改变大小，需要外加金属销钉才能调谐耦合度，而销钉附近容易产生高次模，引起激励模式的不纯，且在高功率应用中容易发生打火现象。目前并没有一种简便的能实现谐振腔耦合系数准确调节的办法和装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种利用滑动活塞进行调谐的孔耦合调谐装置。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种利用滑动活塞进行调谐的孔耦合调谐装置，包括波导、同轴线-波导转换器和滑动活塞；波导的一端封闭，另一端开口，其封闭端设有耦合孔，其开口端设置滑动活塞，滑动活塞构成波导的短路面，通过移动滑动活塞调节短路面在波导中的位置，同轴线-波导转换器设置于波导的波导壁上。

进一步的，波导的波导壁上还设置有固定螺钉，用于固定滑动活塞。

进一步的，耦合孔呈矩形，波导为矩形波导，同轴线-波导转换器为同轴线-矩形波导转换器。

采用该技术方案的有益效果：本发明通过滑动活塞调谐改变孔耦合的耦合大小，操作简单，结构一致性和可靠性高，强度稳定性好，有效地利用了孔耦合激励谐振腔的优点，解决了常规孔耦合的模式不纯、可靠性低的问题，可以方便的应用到需要对耦合系数进行准确调整的谐振腔中，特别是有一个以上的耦合系数需要准确调节的谐振腔。

附图说明

图1为常规探针耦合结构示意图；

图2为常规环耦合结构示意图；

图3为常规孔耦合结构示意图；

图4为本发明实施例中调谐装置的结构图；

图5为图4的等效电路原理图；

图6为图4中滑动活塞在不同位置下耦合孔的输入阻抗频率响应曲线图；

图7为本发明的调谐装置应用于圆柱谐振腔耦合装置的结构示意图；

图8为图7的等效电路原理图；

图9为图7中滑动活塞在不同位置下输入端口和输出端口的反射系数频率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了克服在调整耦合系数时，现有探针耦合及环耦合不易实现和孔耦合模式不纯的问题，本发明提供一种便于实现耦合系数调谐的调谐装置。该装置基于传输线匹配技术，采用滑动活塞配合耦合孔的结构，通过改变滑动活塞的位置来实现调谐孔耦合的耦合系数，达到所需要的耦合系数。该装置很好的利用了孔耦合的优点并解决了其模式不纯的问题，可以方便的应用到需要对耦合系数进行准确调整的谐振腔中，特别是有一个以上的耦合系数需要准确调节的谐振腔。

如图4所示，本发明的一种利用滑动活塞进行调谐的孔耦合调谐装置包括包括波导2、同轴线-波导转换器3和滑动活塞4；波导2的一端封闭，另一端开口，其封闭端设有耦合孔1，其开口端设置滑动活塞4，滑动活塞4构成波导2的短路面，通过移动滑动活塞4调节短路面在波导2中的位置，进而调节耦合系数，同轴线-波导转换器3设置于波导2的波导壁上。优选的，波导2的波导壁上还设置有固定螺钉5，用于固定滑动活塞4；优选的，耦合孔1呈矩形，波导2为矩形波导，同轴线-波导转换器3为同轴线-矩形波导转换器。

本发明调谐装置的原理图如图5所示，耦合孔装置对应变压比为n的理想变压器，短路线对应滑动活塞4，L为短路线的长度即滑动活塞4到同轴线-波导转换器3的距离，另一个支路对应同轴线-波导转换器3，d为耦合孔到同轴线-波导转换器的距离，Z_L为同轴线-波导转换器的等效阻抗，Z_in为耦合孔1往活塞方向看去的输入阻抗，传输线的特性阻抗为Z₀，λ为波长，则输入阻抗Z_in的计算公式如下：

$Z_{\mathrm{in}}=n^2{Z}_0\frac{\frac{Z_L\×j{Z}_0\tan \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L}{Z_L+j{Z}_0\tan \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L}+j{Z}_0\tan \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d}{Z_0+j\frac{Z_L\×j{Z}_0\tan \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L}{Z_L+j{Z}_0\tan \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L}\tan \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d}$

故通过改变短路线的长度L即改变滑动活塞4的位置，从而改变耦合口1的输入阻抗Z_in。

假设与本发明调谐装置连接的谐振腔的谐振电阻为R_ρ,则耦合系数表示如下：

$\mathrm{\β}=\frac{R_{\mathrm{\ρ}}}{Z_{\mathrm{in}}}$

从上式可知，改变耦合孔的输入阻抗Z_in就可以改变耦合系数,即改变滑动活塞的位置就可调谐耦合系数。

滑动活塞4在不同位置时耦合孔1的输入阻抗Z_in的频率响应曲线如图6所示，其中Z_in1与Z_in2之间滑动活塞4的距离相差5mm，阻抗相差约14欧姆，Z_in2与Z_in3之间滑动活塞4的距离相差5mm，阻抗相差约11欧姆，可以看出，滑动活塞4位置每改变5mm，耦合孔1的输入阻抗Z_in平均改变12.5欧姆左右，从而对耦合系数进行调谐。阻抗调谐范围已经可以抵消加工误差(通常为±0.1mm)造成的耦合系数与设计不一致的不良影响。

下面将本发明的调谐装置应用到如图7的圆柱谐振腔耦合装置来分析其优点及调谐原理。图7中，圆柱谐振腔6的高度为39.5mm、半径为19.7mm，通过本发明的两个调谐装置对其调谐，该两个调谐装置分设于圆柱谐振腔6圆柱面相对应的两侧，分别作为圆柱谐振腔6的输入端口和输出端口，圆柱谐振腔6与波导2通过耦合孔1耦合相连，同轴线和波导2通过同轴线-波导转换器3相连，可以通过移动滑动活塞4的位置来调节耦合孔1的耦合系数的大小达到临界耦合。

图7的等效原理电路如图8所示，本发明的谐振装置可以等效为理想变压器，输入端和输出端的阻抗可以通过理想变压器加载到圆柱谐振腔6上，激励圆柱谐振腔6谐振。图9是输入端口滑动活塞和输出端口滑动活塞在不同位置时输入端与输出端反射系数频率响应曲线图，可以看出改变输入端口滑动活塞的位置，输入端口反射系数频率响应曲线的波谷幅值会发生改变，即通过改变滑动活塞的位置可以调谐耦合孔耦合系数到达临界耦合。改变输出端口滑动活塞的位置，输出端口反射系数频率波谷幅值也发生改变。从图9可知，通过本发明专利孔耦合滑动调谐装置，可以单独调谐谐振腔输入端口和输出端口的耦合系数，实现输入端口的临界耦合和输出端口的极弱耦合，或其他各种组合，可以方便的应用到有一个或一个以上的耦合系数需要准确调节的谐振腔中。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种利用滑动活塞进行调谐的孔耦合调谐装置，其特征在于：包括波导(2)、同轴线-波导转换器(3)和滑动活塞(4)；波导(2)的一端封闭，另一端开口，其封闭端设有耦合孔(1)，其开口端设置滑动活塞(4)，滑动活塞(4)构成波导(2)的短路面，通过移动滑动活塞(4)调节短路面在波导(2)中的位置，同轴线-波导转换器(3)设置于波导(2)的波导壁上。

2.根据权利要求1所述的调谐装置，其特征在于：波导(2)的波导壁上还设置有固定螺钉(5)，用于固定滑动活塞(4)。

3.根据权利要求1所述的调谐装置，其特征在于：耦合孔(1)呈矩形。

4.根据权利要求1所述的调谐装置，其特征在于：波导(2)为矩形波导。

5.根据权利要求1所述的调谐装置，其特征在于：同轴线-波导转换器(3)为同轴线-矩形波导转换器。