CN105914441B - 一种小型化波导阻抗匹配装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型化波导阻抗匹配装置，包括：第一波导管、阻抗匹配渐变波导、第二波导辐射端口；第一波导管内充满高介电常数介质体；阻抗匹配渐变波导的一端同轴套接于第一波导管上，另一端同轴连接第二波导辐射端口；第一波导管穿过阻抗匹配渐变波导并伸入第二波导辐射端口内，且第一波导管伸入第二波导辐射端口内的部分低于第二波导辐射端口的轴向长度，形成第一波导管与第二波导辐射端口之间的阻抗匹配。在金属喇叭形阻抗匹配渐变波导及圆柱形脊波导辐射端口内引入第一波导管中的高介电常数介质体，通过调谐喇叭形金属阻抗匹配渐变波导两个端口的口径及轴向长度、和第一波导管伸入第二波导辐射端口内部的轴向长度，实现阻抗匹配。

Description

一种小型化波导阻抗匹配装置

技术领域

本发明涉及微波与天线技术领域，具体地，涉及一种小型化波导阻抗匹配装置。

背景技术

在微波器件设计中，传输线的特性至关重要，通常微波器件的尺寸大小和电性能特性是由传输线的导波系统决定。在导波系统中，金属波导(waveguide)是一种空心金属管，管内填充介质，具有导体损耗小、功率容量大、结构简单、没有辐射损耗等优点。

普通金属波导一般填充的介质为空气(或真空状态)，但某些微波器件包含高介电常数介质体，且高介电常数介质体嵌于金属波导管内，形成填充高介电常数介质体的金属波导，被填充介质的介电常数ε一般大于空气状态下的介电常数，例如金属圆波导，在传输相同频率微波、同等性能的前提下，则其直径近似于填充空气由于端口大小的差异，导致填充高介电常数金属波导在与普通金属波导相连时，两个端口之间阻抗失配，需引入相应的阻抗匹配技术，才能正常工作。

在导波系统中，填充高介电常数介质体的金属波导与填充空气(或真空)介质之间常用的阻抗匹配方案是阶梯阻抗匹配法，这种匹配方法通常是在填充介质的介电常数ε与空气介质中选取介电常数为ε₁、ε₂......的介质，其中ε＞ε₁＞ε₂......＞1，这样可使高介电常数介质体的金属波导口径逐渐渐变到与普通金属波导口径大小相仿，通过优化后实现与填充空气介质的金属波导阻抗匹配，这种匹配方法不仅匹配过渡端部分体积大，需要的介质类型多，工艺实现难度大，成本高，且阻抗匹配性能与填充介电常数为ε介质的金属波导长度休戚相关，导致此匹配方法在实际应用中局限性很明显。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种小型化波导阻抗匹配装置。

根据本发明提供的一种小型化波导阻抗匹配装置，包括：第一波导管、阻抗匹配渐变波导、第二波导辐射端口；

所述第一波导管内充满高介电常数介质体；

所述阻抗匹配渐变波导的一端同轴套接于所述第一波导管上，另一端同轴连接所述第二波导辐射端口；

所述第一波导管穿过所述阻抗匹配渐变波导并伸入所述第二波导辐射端口内，且所述第一波导管伸入所述第二波导辐射端口内的部分低于所述第二波导辐射端口的轴向长度，形成所述第一波导管与所述第二波导辐射端口之间的阻抗匹配。

作为一种优化方案，所述第一波导管、阻抗匹配渐变波导、第二波导辐射端口都为金属波导。

作为一种优化方案，所述阻抗匹配渐变波导与所述第一波导管对应连接的一端呈渐扩状靠近与所述第二波导辐射端口对应连接的所述另一端。

作为一种优化方案，所述阻抗匹配渐变波导的内壁形成一渐变波导腔，所述渐变波导腔内壁与第一波导管之间设有间隙，所述间隙越靠近所述第二波导辐射端口越厚。

作为一种优化方案，所述间隙为空气间隙。

作为一种优化方案，所述阻抗匹配渐变波导的两端形状分别与所述第一波导管、第二波导辐射端口的形状对应。

作为一种优化方案，所述第一波导管为柱状，且所述第一波导管的横截面形状是矩形、或方形、或圆形。

作为一种优化方案，所述阻抗匹配渐变波导的两端之间形成的渐变是矩形端口之间的渐变、或方形端口之间的渐变、或圆柱形端口之间的渐变、或在矩形、方形、圆形三种端口中任两种相互之间的渐变。

作为一种优化方案，所述第二波导辐射端口为脊波导辐射端口、或圆波导辐射端口、或矩形波导辐射端口。

作为一种优化方案，所述第一波导管、阻抗匹配渐变波导、第二波导辐射端口的横截面都是中心对称形状。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明填充高介电常数介质体的第一波导管穿设于呈喇叭形的金属的阻抗匹配渐变波导中，并延伸至第二波导辐射端口内部。有效地避免了金属喇叭形阻抗匹配渐变波导在设计频率范围内截止，可有效传输预设频率的微波信号，实现波导阻抗匹配器的小型化。在金属喇叭形阻抗匹配渐变波导及圆柱形脊波导辐射端口内引入第一波导管中的高介电常数介质体，通过调谐喇叭形金属阻抗匹配渐变波导两个端口的口径及轴向长度、和第一波导管伸入第二波导辐射端口内部的轴向长度，实现阻抗匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是可选的一种一种小型化波导阻抗匹配装置结构示意图；

图2a-图2b是可选的一种作为第二波导辐射端口的脊波导辐射端口结构示意图；

图3a-图3b是可选的一种阻抗匹配渐变波导结构示意图；

图4a-图4b是可选的一种第一波导管结构示意图；

图5是本发明实施示例在中心频点的辐射方向示意图；

图6分别是本发明实施示例在设计带宽内的驻波比示意图。

图中1-第二波导辐射端口，2-阻抗匹配渐变波导，3-第一波导管，31-高介电常数介质体。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明提供的一种小型化波导阻抗匹配装置的实施例中，如图1所示，包括：第一波导管3、阻抗匹配渐变波导2、第二波导辐射端口1；

所述第一波导管3内充满高介电常数介质体31；

所述阻抗匹配渐变波导2的一端同轴套接于所述第一波导管3上，另一端同轴连接所述第二波导辐射端口1；

所述第一波导管3穿过所述阻抗匹配渐变波导2并伸入所述第二波导辐射端口1内，且所述第一波导管3伸入所述第二波导辐射端口1内的部分低于所述第二波导辐射端口1的轴向长度，形成所述第一波导管3与所述第二波导辐射端口1之间的阻抗匹配。

本实施例中所述阻抗匹配渐变波导2的两端分别与第一波导管3、第二波导辐射端口1连接，且两端的端口形状不同，两端之间的外壁呈渐变状。

作为一种实施例，所述第一波导管3、阻抗匹配渐变波导2、第二波导辐射端口1都为金属波导。

作为一种实施例，所述阻抗匹配渐变波导2与所述第一波导管3对应连接的一端呈渐扩状靠近与所述第二波导辐射端口1对应连接的所述另一端。如图1所示的阻抗匹配渐变波导2为喇叭形状，一端小，另一端大，小的一端套设在第一波导管3上，大的一端则与第二波导辐射端口1连接。图1中的第二波导辐射端口1为脊波导端口，外壁为圆柱形，阻抗匹配渐变波导2大的一端则设为与该脊波导端口底端相对应的圆形。由于阻抗匹配渐变波导2的渐变形状，本发明通过阻抗匹配渐变波导2实现了第一波导管3与第二波导辐射端口1之间的阻抗匹配。

作为一种实施例，所述阻抗匹配渐变波导2的内壁形成一渐变波导腔，所述渐变波导腔内壁与第一波导管3之间设有间隙，所述间隙越靠近所述第二波导辐射端口1越厚。本实施例中渐变波导腔与第一波导之间的间隙可以设置不同介电常数的介质。

作为一种实施例，所述间隙为空气间隙。

作为一种实施例，所述阻抗匹配渐变波导2的两端形状分别与所述第一波导管3、第二波导辐射端口1的形状对应。

作为一种实施例，如图4a-图4b所示，所述第一波导管3为柱状，且所述第一波导管3的横截面形状是矩形、或方形、或圆形。

作为一种实施例，如图3a-图3b所示，所述阻抗匹配渐变波导2的两端之间形成的渐变是矩形端口之间的渐变、或方形端口之间的渐变、或圆柱形端口之间的渐变、或在矩形、方形、圆形三种端口中任两种相互之间的渐变。

作为一种实施例，所述第二波导辐射端口1为脊波导辐射端口、或圆波导辐射端口、或矩形波导辐射端口。图2a-图2b所示的第二波导辐射端口1为脊波导辐射端口，在圆筒状波导内壁上中心对称设置4个据形部分，由此形成脊形波导辐射。

作为一种实施例，所述第一波导管3、阻抗匹配渐变波导2、第二波导辐射端口1的横截面都是中心对称形状。

如图1所示，本发明填充高介电常数介质体31的第一波导管3穿设于呈喇叭形的金属的阻抗匹配渐变波导2中，并延伸至第二波导辐射端口1内部，其作用主要有：

有效地避免了金属喇叭形阻抗匹配渐变波导2在设计频率范围内截止，可有效传输预设频率的微波信号，实现波导阻抗匹配器的小型化；

在金属喇叭形阻抗匹配渐变波导2及圆柱形脊波导辐射端口内引入第一波导管3中的高介电常数介质体31，通过调谐喇叭形金属阻抗匹配渐变波导2两个端口的口径及轴向长度，实现阻抗匹配调节。所述金属阻抗匹配渐变波导2与第一波导管3相连的一端为小口端，另一端为大口端，所述小口端的孔径大于或等于所述第一波导管3外径，且小于大口端的孔径。根据不同需求调节金属阻抗匹配渐变波导2的轴向长度和/或小口端的口径大小能够实现对应的阻抗匹配。

本发明可以获得以下优点：

从填充高介电常数介质体31的第一波导管3到作为第二波导辐射端口1的脊波导辐射端口，只有一种圆柱形高介电常数的介质体，且每一部分包含的圆柱形介质体的直径可以相同，工艺实现难度小、成本低、安装精度容易控制；

本发明实施示例的阻抗匹配技术主要是通过在金属喇叭形阻抗匹配渐变波导2中嵌入圆柱形高介电常数介质体31，可免于匹配段基于阶梯阻抗匹配原理而形成阶梯阻抗匹配的要求；从而达到填充高介电常数介质体31的金属第一波导管3长度变化不影响阻抗匹配性能的目的。

根据本发明设计的阻抗匹配渐变波导2，性能具有很强的可塑性，应用范围广，实用性强，同样也可适用于介质波导与矩形、方形、圆柱形及相应脊波导相互间的阻抗匹配。

以下提供具体测试结果来验证本发明：

本发明设计频率为f₁，图5是本发明在设计中心频率辐射方向示意图，

图6是本发明在设计带宽内的驻波比示意图。

通过调整喇叭形面的直径大小，以及圆柱形高介电常数介质体31延伸入脊波导辐射端口的长度，实现在设计带宽内的阻抗匹配。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，包括：第一波导管、阻抗匹配渐变波导、第二波导辐射端口；

所述第一波导管内充满高介电常数介质体；

所述阻抗匹配渐变波导的一端同轴套接于所述第一波导管上，另一端同轴连接所述第二波导辐射端口；

所述第一波导管穿过所述阻抗匹配渐变波导并伸入所述第二波导辐射端口内，且所述第一波导管伸入所述第二波导辐射端口内的部分低于所述第二波导辐射端口的轴向长度，形成所述第一波导管与所述第二波导辐射端口之间的阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一波导管、阻抗匹配渐变波导、第二波导辐射端口都为金属波导。

3.根据权利要求1所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配渐变波导与所述第一波导管对应连接的一端呈渐扩状靠近与所述第二波导辐射端口对应连接的所述另一端。

4.根据权利要求1或3所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配渐变波导的内壁形成一渐变波导腔，所述渐变波导腔内壁与第一波导管之间设有间隙。

5.根据权利要求4所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述间隙为空气间隙。

6.根据权利要求1所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配渐变波导的两端形状分别与所述第一波导管、第二波导辐射端口的形状对应。

7.根据权利要求1或6所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一波导管为柱状，且所述第一波导管的横截面形状是方形、或圆形。

8.根据权利要求1或6所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配渐变波导的两端之间形成的渐变是方形端口之间的渐变、或圆柱形端口之间的渐变、或在方形、圆形两种端口中任两种相互之间的渐变。

9.根据权利要求1或6所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述第二波导辐射端口为脊波导辐射端口、或圆波导辐射端口、或矩形波导辐射端口。

10.根据权利要求1或6所述的一种小型化波导阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一波导管、阻抗匹配渐变波导、第二波导辐射端口的横截面都是中心对称形状。