CN107394319A - 基于te10模‑tm01模变换结构的高功率机械式微波移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TE10模‑TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，包括矩形波导TE10模传输段和实现TEM‑TM01模式的转换的同轴‑圆波导传输段；所述同轴‑圆波导传输段包括同轴的内导体组件和外导体组件；所述内导体组件包括依次连接的圆锥台转同轴内导体、内导体增大段、内导体渐变增大段、第一内导体和第二内导体；所述圆锥台转同轴内导体设于所述矩形波导内并靠近所述封闭端；所述第二内导体可沿所述第一内导体的内壁滑动；所述外导体组件包括外导体增大段、外导体渐变增大段和圆波导外导体，所述外导体增大段与所述内导体增大段同轴并与所述矩形波导连接；还包括控制所述第二内导体底部与所述第一内导体底部之间距离的控制结构。

Description

基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器

技术领域

本发明涉及微波传输技术领域，特别是高功率微波传输技术领域，具体而言，涉及一种基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器。

背景技术

矩形波导、圆波导、同轴线是常见的微波传输线，矩形波导是单导体，截面矩形；圆波导是单导体，截面圆形；同轴线是双道题导体，由内、外同轴圆形导体组成，导体之间是呈圆环的介质结构。在这几种均匀、长直的传输线中传输的微波周期地以有规律的电磁场分布。移相器是微波器件中重要的一类器件，主要用于对特定相位需求的处理，广泛应用于雷达、通讯、仪器仪表、电力电子等各种领域中。由于移相器对设备和系统的性能有着非常重要和直接的影响，因此研究具有高精度、高转换速度、高功率容量、损耗小、体积小和重量轻的移相器具有重要意义。

根据实现方式划分，移相器可以分类为机械式移相器、铁氧体移相器、固态移相器等。其中采用机械式实现移相的移相器常常具有较高的功率容量和较高的可靠性。尤其是在高功率微波系统中特别重视各器件的功率容量，所以采用波导作为载体的机械式移相器常常在此类系统中被采用。

机械移相器也是发展得较早的一类移相器，一般采用线性移动或者旋转的方式实现移相功能。文献报道中较早的机械式移相器是Fox A.G.于1947年提出的一种通过改变旋转圆波导中的介质片来改变输出相位[Fox A.G.An adjustable wave-guide phasechanger[J].Proceedings of the IRE，1947，35(12):1489-1498]；或者通过改变传输线的介电常数与电磁波的波数实现影响输出相位[Collin R.E.Waveguide phase changer[J].Wireless Engineer，1955，32(3):81-87]、[Collin R.E.Field theory of guided waves[M].New York:IEEE press，1991，272-274]。

二十世纪六十年代Hansen R.C提出一种空气同轴线结构的移相器，是一种单频移相器，改变其传输线的物理长度可以实现移相，同轴主体是可以伸缩的，也是利用了的机械结构的可靠性[Hansen R.C.Microwave Scanning Antennas[C].Academic Press，McGraw-Hill，New york.1966，273-278]。

在现代的高功率微波应用中机械式移相器较为常见。国内方面，赵雪龙研制了一种用于TM01传输的移相器，使用了两个十字交叉圆极化器以相对旋转的方式实现移相，对旋转角度控制准确性要求较高[赵雪龙，袁成卫，刘列，彭升人，白珍，蔡丹.高功率微波TM01模式移相器[J].国防科技大学学报，2015，(02):40-42]。Q.Zhang通过采用改变插入金属片长度的方法控制相位，同时移相器传输效率较高[Q.Zhang，C.Yuan and L.Liu.Studies onmechanical tunable waveguide phase shifters for phased-array antennaapplications.2016IEEE International Symposium on Phased Array Systems andTechnology(PAST)，Waltham，MA，2016，pp.1-3]。中物院廖勇等设计的矩形波导移相器，其在矩形波导中放置平行于电场的可沿波导宽边移动的金属片实现了波导内的可变相移[廖勇，谢平，徐刚，陈世韬，施美友，马弘舸.一种高功率微波金属片波导移相器设计与特性分析[J].强激光与粒子束，2015，(06):198-203]。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种损耗小、结构紧凑，同时高精度实现微波模式转换功能的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，包括矩形波导TE10模传输段和实现TEM-TM01模式的转换的同轴-圆波导传输段；所述矩形波导TE10模传输段包括在轴向具有开口端和封闭端的矩形波导；所述同轴-圆波导传输段包括同轴的内导体组件和外导体组件；所述内导体组件包括依次连接的圆锥台转同轴内导体、内导体增大段、内导体渐变增大段、第一内导体和第二内导体；所述圆锥台转同轴内导体设于所述矩形波导内并靠近所述封闭端；所述圆锥台转同轴内导体的中心线与所述矩形波导的轴向垂直；所述第一内导体呈顶部具有开口的筒状，所述第二内导体为实心结构，所述第二内导体可沿所述第一内导体的内壁滑动；所述外导体组件包括外导体增大段、外导体渐变增大段和圆波导外导体，所述外导体增大段与所述内导体增大段同轴并与所述矩形波导连接；还包括控制所述第二内导体底部与所述第一内导体底部之间距离的控制结构。

本发明的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器具有以下优点：1)调节矩形波导封闭端与圆锥台转同轴内导体的相对位置，即可使矩形波导传输段和同轴-圆波导传输段之间获得良好的匹配；2)所述圆锥台转同轴内导体的中心线与所述矩形波导的轴向垂直，形成具有90°转向功能的矩形波导-同轴变换关节，便于实现全向轴对称TEM模式的变换；3)由于馈入电磁波在圆锥台转同轴内导体结构附近有不均匀性，波导高次模与工作模式TE10进行能量耦合，相当于在探针位置处给矩形波导引入了一个电抗或电纳分量，从而导致同轴线中主模的反射。圆锥台转同轴内导体有利于转换区前后抑制高次模式的产生以及传输线主模的传输，减弱具有探针属性的内导体附近高次模式的储能特性；3)在同轴-圆波导传输段，TEM模式与TM01模式是两种电磁场分布较为相似的对称场分布模式且TM01模式在圆波导结构中是快波；由于所述第二内导体可沿所述第一内导体的内壁滑动，因此通过控制内导体组件的长短，即控制第二内导体对第一内导体截断点的位置，即可实现TEM-TM01模式的转换；4)根据所传输的微波频率下的波导波长计算出所需要最小可伸缩范围，该长度至少为波导波长的一倍，通过控制第二内导体截断面与圆波导外导体底部之间距离，使设计的伸缩范围满足长度要求后，即可达到360°的移相功能。本发明的结构简单，具有较高的功率容量。

进一步地，所述控制结构包括上端与所述第二内导体底部连接并依次穿过所述第一内导体、内导体渐变增大段、内导体增大段、圆锥台转同轴内导体和矩形波导的活动连杆，所述活动连杆上下运动带动所述第二内导体上下移动。由此，结构简单，实现控制内导体组件的长度。

进一步地，所述活动连杆下端设有齿轮，所述控制结构还包括转动齿轮和驱使所述转动齿轮转动的电机，所述转动齿轮与所述齿轮啮合。由此，相比同类的机械式移相器，使用电机对相位控制结构进行控制，显著提高了机械式移相器的移相精度，并且可以实现矩形波导TE10模-圆波导TM01模的模式转换。

进一步地，所述活动连杆与所述外导体组件和内导体组件同轴。由此，进一步提高了微波移相器的移相精度。

进一步地，所述矩形波导上与所述外导体增大段连接处设有倒圆角。在连接处倒圆角有助于减小突变结构处的电场强度，实现高功率容量。

进一步地，所述第二内导体顶部设有倒圆角。在第二内导体顶部倒圆角有助于减小此位置处的电场强度，实现高功率容量；同时，可以提高同轴波导与圆波导模式转换的效率，降低反射和实现匹配。

进一步地，所述第一内导体顶部与所述第二内导体的配合处设有45°切角。由此，可以提高该结构处的转换效率，降低反射和实现匹配。

可见，本发明结构简单紧凑，利用TM01模式在传输线中为快波的特点，控制内导体组件在移相器中所占的长度比例实现移相功能。相比数字式微波移相器，本发明的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器具有较高功率容量；相比同类的机械式移相器，本发明的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器具有更高的移相精度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器的一种剖视图(矩形波导的径向)。

图2为本发明基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器的另一种剖视图(矩形波导的轴向)。

图3为本发明基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器的局部剖视图。

图4为图2中A处的放大图。

图5为本发明基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器的仿真的端口反射结果。

图6为本发明基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器的仿真的场强分布结果。

上述附图中的有关标记为：

1：矩形波导；

2：圆锥台转同轴内导体；

3：外导体增大段；

4：内导体增大段；

5：内导体渐变增大段；

6：圆波导外导体；

7：第一内导体；

8：活动连杆；

9：第二内导体；

10：齿轮；

11：转动齿轮；

12：电机；

13：外导体渐变增大段；

a：矩形波导径向截面的长度；

b：矩形波导径向截面的宽度；

c：矩形波导轴向截面的长度；

h1：圆锥台转同轴内导体的高度；

r1：圆锥台转同轴内导体底部的半径；

k：圆锥台转同轴内导体底部中心与矩形波导封闭端之间的距离；

h2：内导体增大段的长度；

内导体增大段的外径；

外导体增大段的内径；

h3：外导体渐变增大段的长度；

h4：圆波导外导体的长度；

圆波导外导体的内径；

h5：第一内导体的长度；

第一内导体的外径；

h6：第二内导体的长度；

第二内导体的外径；

r2：矩形波导上与外导体增大段连接处的倒圆角的半径；

r3：第二内导体顶部的倒圆角的半径；

d：第一内导体顶部与第二内导体的配合处的45°切角的边长。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

需要说明的是，TE、TM分别是横电波和横磁波的英文简称，TE波在传输线轴向的电场为零，TM波在传输线轴向的磁场为零。它们的后缀数字mn，如TEmn中m、n是指求解传输波动方程的m阶贝塞尔函数等于零的第n个根。m、n有多种取值，除基模以外的模式都称为高次模，其中矩形波导的基模为TE11，圆波导的基模为TM11，同轴线的基模为TEM。

如图1-4所示的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，包括矩形波导TE10模传输段和实现TEM-TM01模式的转换的同轴-圆波导传输段；

所述矩形波导TE10模传输段包括在轴向具有开口端和封闭端的矩形波导1；

所述同轴-圆波导传输段包括同轴的内导体组件和外导体组件；

所述内导体组件包括依次连接的圆锥台转同轴内导体2、内导体增大段4、内导体渐变增大段5、第一内导体7和第二内导体9；所述圆锥台转同轴内导体2设于所述矩形波导1内并靠近所述封闭端；所述圆锥台转同轴内导体2的中心线与所述矩形波导1的轴向垂直；所述第一内导体7呈顶部具有开口的筒状，所述第二内导体9可沿所述第一内导体7的内壁滑动；

所述外导体组件包括外导体增大段3、外导体渐变增大段13和圆波导外导体6，所述外导体增大段3与所述内导体增大段4同轴并与所述矩形波导1连接；

还包括控制所述第二内导体9底部与所述第一内导体7底部之间距离的控制结构，所述控制结构包括上端与所述第二内导体9底部连接并依次穿过所述第一内导体7底部、内导体渐变增大段5、内导体增大段4、圆锥台转同轴内导体2和矩形波导1的活动连杆8、转动齿轮11和驱使所述转动齿轮11转动的电机12，所述活动连杆8下端设有齿轮10，所述转动齿轮11与所述活动连杆8的齿轮10啮合，所述转动齿轮11转动带动所述活动连杆8上下运动，从而带动所述第二内导体9上下移动。

所述活动连杆8与所述外导体组件和内导体组件同轴。

所述矩形波导1上与所述外导体增大段3连接处设有倒圆角。

所述第二内导体9顶部设有倒圆角。

所述第一内导体7顶部与所述第二内导体9的配合处设有45°切角。

当该基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器具有表1所示参数时，仿真的端口反射结果如图5所示，其中，曲线1代表反射系数S1(1)1(1)，曲线2代表TM01模式的传输系数S2(3)1(1)，在中心频点9.5GHz其TM01模式的转换率为99.7％，在整个频带8.5GHz-10.5GHz内转换率大于95％，同时带内反射系数小于0.2。

当该基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器具有表1所示参数时，仿真的场强分布结果如图6所示，从图6可以看出，电场强度的最大值约为6200V/m。位于矩形波导与同轴波导转换位置，当输出功率0.5瓦计算时，经计算可知该移相器的功率容量为118kW，适用于高功率应用场合。

表1为基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器的结构参数。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，其特征在于：包括矩形波导TE10模传输段和实现TEM-TM01模式的转换的同轴-圆波导传输段，所述同轴-圆波导传输段；

所述矩形波导TE10模传输段包括在轴向具有开口端和封闭端的矩形波导(1)；

所述同轴-圆波导传输段包括同轴的内导体组件和外导体组件；

所述内导体组件包括依次连接的圆锥台转同轴内导体(2)、内导体增大段(4)、内导体渐变增大段(5)、第一内导体(7)和第二内导体(9)；所述圆锥台转同轴内导体(2)设于所述矩形波导(1)内并靠近所述封闭端；所述圆锥台转同轴内导体(2)的中心线与所述矩形波导(1)的轴向垂直；所述第一内导体(7)呈顶部具有开口的筒状，所述第二内导体(9)为实心结构，所述第二内导体(9)可沿所述第一内导体(7)的内壁滑动；

所述外导体组件包括外导体增大段(3)、外导体渐变增大段(13)和圆波导外导体(6)，所述外导体增大段(3)与所述内导体增大段(4)同轴并与所述矩形波导(1)连接；

还包括控制所述第二内导体(9)底部与所述第一内导体(7)底部之间距离的控制结构。

2.如权利要求1所述的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，其特征在于：所述控制结构包括上端与所述第二内导体(9)底部连接并依次穿过所述第一内导体(7)、内导体渐变增大段(5)、内导体增大段(4)、圆锥台转同轴内导体(2)和矩形波导(1)的活动连杆(8)，所述活动连杆(8)上下运动带动所述第二内导体(9)上下移动。

3.如权利要求2所述的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，其特征在于：所述活动连杆(8)下端设有齿轮(10)，所述控制结构还包括转动齿轮(11)和驱使所述转动齿轮(11)转动的电机(12)，所述转动齿轮(11)与所述齿轮(10)啮合。

4.如权利要求2所述的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，其特征在于：所述活动连杆(8)与所述外导体组件和内导体组件同轴。

5.如权利要求1所述的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，其特征在于：所述矩形波导(1)上与所述外导体增大段(3)连接处设有倒圆角。

6.如权利要求1所述的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，其特征在于：所述第二内导体(9)顶部设有倒圆角。

7.如权利要求1所述的基于TE10模-TM01模变换结构的高功率机械式微波移相器，其特征在于：所述第一内导体(7)顶部与所述第二内导体(9)的配合处设有45°切角。