CN107546444B - 一种高功率机械式同轴波导微波移相器 - Google Patents

一种高功率机械式同轴波导微波移相器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率机械式同轴波导微波移相器，包括外导体和与所述外导体同轴的内导体组件；所述内导体组件包括固定段和活动段，所述固定段呈顶部具有开口的筒状，所述活动段呈底部具有开口的筒状，所述固定段的内径与所述活动段的外径匹配，所述活动段可沿所述固定段的内壁滑动；还包括控制所述固定段底部与所述活动段顶部之间距离的控制结构；所述控制结构包括电机，所述电机与所述活动段之间设有相互配合的齿轮。通过控制内导体组件的长短，即控制活动段对固定段截断点的位置，即可实现TEM‑TM01模式的转换；通过控制活动段截断面与外导体顶部之间距离，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。

Description

一种高功率机械式同轴波导微波移相器
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，涉及一种高功率机械式同轴波导微波移相器。
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.2016 IEEE 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一种高功率机械式同轴波导微波移相器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高功率机械式同轴波导微波移相器，包括外导体和与所述外导体同轴的内导体组件；所述内导体组件包括固定段和活动段，所述固定段呈顶部具有开口的筒状，所述活动段呈底部具有开口的筒状，所述固定段的内径与所述活动段的外径匹配，所述活动段可沿所述固定段的内壁滑动；还包括控制所述固定段底部与所述活动段顶部之间距离的控制结构；所述控制结构包括电机，所述电机与所述活动段之间设有相互配合的齿轮。
本发明的一种高功率机械式同轴波导微波移相器具有以下优点：1)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；由于所述内导体组件中的活动段可沿所述固定段的内壁滑动，因此通过控制内导体组件的长短，即控制活动段对固定段截断点的位置，即可实现TEM-TM01模式的转换；2)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，通过控制活动段截断面与外导体顶部之间距离，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，本发明的控制结构可通过以下三种方式来对活动段的上下运动进行控制：
第一种：所述活动段顶部设有活动连杆，所述活动连杆的轴向设有第一齿轮，所述电机上设有与所述第一齿轮配合的第一转动齿轮，所述第一转动齿轮为直齿轮。优选地，所述活动连杆与所述外导体和内导体组件的中心轴平行。
第二种：所述活动段内壁轴向设有第一齿轮，所述电机上设有与所述第一齿轮配合的第一转动齿轮，所述第一转动齿轮为直齿轮。在第一种和第二种方式中，可以在所述固定段底部设置用于支撑所述电机的支架。
第三种：所述活动段内壁轴向设有第一齿轮，所述电机上设有第二转动齿轮，所述控制结构还包括与所述第一齿轮配合的从动齿轮、与所述第二转动齿轮配合的主动齿轮，所述从动齿轮和主动齿轮串接在转轴上，所述活动段内壁轴向设有与所述转轴匹配的导向槽，所述固定段上设有与供所述转轴转动的转孔；所述第二转动齿轮和所述主动齿轮为斜齿轮。
进一步地，所述外导体与固定段之间设有使所述固定段与外导体外部导通的空心杆。该空心杆一来可以固定外导体与内导体组件的相对位置，二来可以作为电机缆线的布置通道，使电机放置于固定段的内部，在很大程度缩小整个移相器的体积。
进一步地，所述活动段顶部设有倒圆角。活动段顶部的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-圆波导模式转换的效率，降低反射和实现匹配。
进一步地，所述固定段顶部与所述活动段的配合处设有45°切角。由此，减低此结构处的反射，提高匹配性能。
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，本发明的一种高功率机械式同轴波导微波移相器具有较高功率容量；相比同类的机械式移相器，本发明的一种高功率机械式同轴波导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为本发明实施例1的一种高功率机械式同轴波导微波移相器的剖视图。
图2为本发明实施例2的一种高功率机械式同轴波导微波移相器的剖视图。
图3为本发明实施例3的一种高功率机械式同轴波导微波移相器的剖视图。
图4为本发明实施例3的一种高功率机械式同轴波导微波移相器的仿真的端口反射结果。
图5为本发明实施例3的一种高功率机械式同轴波导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：外导体；
2：固定段；
3：空心杆；
4：活动段；
5：第一齿轮；
6：从动齿轮；
7：主动齿轮；
8：第二转动齿轮；
9：转轴；
10：电机；
11：导向槽；
12：活动连杆；
13：第一转动齿轮；
14：支架；
r：活动段顶部设有倒圆角的半径；
h1：固定段的长度；
h2：活动段的长度；
h3：外导体的长度；
Figure BDA0001352139380000041
固定段的内径；
Figure BDA0001352139380000042
活动段的外径；
Figure BDA0001352139380000043
固定段的外径；
Figure BDA0001352139380000044
空心杆的外径；
Figure BDA0001352139380000045
外导体的内径；
c：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，TM是横磁波的英文简称，TM波在传输线轴向的磁场为零。它们的后缀数字mn，如TMmn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，其中圆波导的基模为TM11，同轴线的基模为TEM。
实施例1
如图1所示的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，包括外导体1和与所述外导体1同轴的内导体组件。
所述内导体组件包括固定段2和活动段4，所述固定段2呈顶部具有开口的筒状，所述活动段4呈底部具有开口的筒状，所述固定段2的内径与所述活动段4的外径匹配，所述活动段4可沿所述固定段2的内壁滑动。
还包括控制所述固定段2底部与所述活动段4顶部之间距离的控制结构；所述控制结构包括电机10，所述活动段4顶部设有活动连杆12，所述活动连杆12的轴向设有第一齿轮5，所述电机10上设有与所述第一齿轮5配合的第一转动齿轮13，所述第一转动齿轮13为直齿轮。
所述固定段2底部设有用于支撑所述电机10的支架14。
所述活动连杆12与所述外导体1和内导体组件的中心轴平行。
所述外导体1与固定段2之间设有使所述固定段2与外导体1外部导通的空心杆3。所述空心杆3为三个，且呈对称分布。
所述活动段4顶部设有倒圆角。
所述固定段2顶部与所述活动段4的配合处设有45°切角。
实施例2
如图2所示的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，包括外导体1和与所述外导体1同轴的内导体组件。
所述内导体组件包括固定段2和活动段4，所述固定段2呈顶部具有开口的筒状，所述活动段4呈底部具有开口的筒状，所述固定段2的内径与所述活动段4的外径匹配，所述活动段4可沿所述固定段2的内壁滑动。
还包括控制所述固定段2底部与所述活动段4顶部之间距离的控制结构；所述控制结构包括电机10，所述活动段4内壁轴向设有第一齿轮5，所述电机10上设有与所述第一齿轮5配合的第一转动齿轮13，所述第一转动齿轮13为直齿轮。
所述固定段2底部设有用于支撑所述电机10的支架14。
所述外导体1与固定段2之间设有使所述固定段2与外导体1外部导通的空心杆3。所述空心杆3为三个，且呈对称分布。
所述活动段4顶部设有倒圆角。
所述固定段2顶部与所述活动段4的配合处设有45°切角。
实施例3
如图3所示的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，包括外导体1和与所述外导体1同轴的内导体组件。
所述内导体组件包括固定段2和活动段4，所述固定段2呈顶部具有开口的筒状，所述活动段4呈底部具有开口的筒状，所述固定段2的内径与所述活动段4的外径匹配，所述活动段4可沿所述固定段2的内壁滑动。
还包括控制所述固定段2底部与所述活动段4顶部之间距离的控制结构；所述控制结构包括电机10，所述活动段4内壁轴向设有第一齿轮5，所述电机10上设有第二转动齿轮8，所述控制结构还包括与所述第一齿轮5配合的从动齿轮6、与所述第二转动齿轮8配合的主动齿轮7，所述从动齿轮6和主动齿轮7串接在转轴9上，所述活动段4内壁轴向设有与所述转轴9匹配的导向槽11，所述固定段2上设有与供所述转轴9转动的转孔；所述第二转动齿轮8和所述主动齿轮7为斜齿轮。
所述外导体1与固定段2之间设有使所述固定段2与外导体1外部导通的空心杆3。所述空心杆3为三个，且呈对称分布。
所述活动段4顶部设有倒圆角。
所述固定段2顶部与所述活动段4的配合处设有45°切角。
当本实施例的一种高功率机械式同轴波导微波移相器具有表1所示参数时，仿真的端口反射结果如图4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6.5GHz其TM01模式的转换率为98.7％，在整个频带5.7GHz-7.3GHz内转换率大于90％，反射系数小于0.2的频带为6.2GHz-6.8GHz。器件内最大场强1341V/m，使用空气中的击穿阈值30kV/cm、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2.5MW。
当本实施例的一种高功率机械式同轴波导微波移相器具有表1所示参数时，仿真的场强分布结果如图5所示，从图5可以看出，移相器内最大场强为1341V/m。当使用空气中的击穿阈值30kV/cm、输出功率0.5瓦时，经计算可知该移相器的功率容量为2.5MW。
表1为实施例3的一种高功率机械式同轴波导微波移相器的结构参数。
Figure BDA0001352139380000071
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 (8)

1.一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：包括外导体（1）和与所述外导体（1）同轴的内导体组件；
所述内导体组件包括固定段（2）和活动段（4），所述固定段（2）呈顶部具有开口的筒状，所述活动段（4）呈底部具有开口的筒状，所述固定段（2）的内径与所述活动段（4）的外径匹配，所述活动段（4）可沿所述固定段（2）的内壁滑动；
还包括控制所述固定段（2）底部与所述活动段（4）顶部之间距离的控制结构；所述控制结构包括电机（10），所述电机（10）与所述活动段（4）之间设有相互配合的齿轮；
所述外导体（1）与固定段（2）之间设有使所述固定段（2）与外导体（1）外部导通的空心杆（3）；
用于实现TEM-TM01模式的转换，能够达到360°的移相功能。
2.如权利要求1所述的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：所述活动段（4）顶部设有活动连杆（12），所述活动连杆（12）的轴向设有第一齿轮（5），所述电机（10）上设有与所述第一齿轮（5）配合的第一转动齿轮（13），所述第一转动齿轮（13）为直齿轮。
3.如权利要求2所述的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：所述活动连杆（12）与所述外导体（1）和内导体组件的中心轴平行。
4.如权利要求1所述的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：所述活动段（4）内壁设有第一齿轮（5），所述电机（10）上设有与所述第一齿轮（5）配合的第一转动齿轮（13），所述第一转动齿轮（13）为直齿轮。
5.如权利要求2或4所述的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：所述固定段（2）底部设有用于支撑所述电机（10）的支架（14）。
6.如权利要求1所述的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：所述活动段（4）内壁轴向设有第一齿轮（5），所述电机（10）上设有第二转动齿轮（8），所述控制结构还包括与所述第一齿轮（5）配合的从动齿轮（6）、与所述第二转动齿轮（8）配合的主动齿轮（7），所述从动齿轮（6）和主动齿轮（7）串接在转轴（9）上，所述活动段（4）内壁轴向设有与所述转轴（9）匹配的导向槽（11），所述固定段（2）上设有与供所述转轴（9）转动的转孔；所述第二转动齿轮（8）和所述主动齿轮（7）为斜齿轮。
7.如权利要求1所述的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：所述活动段（4）顶部设有倒圆角。
8.如权利要求1所述的一种高功率机械式同轴波导微波移相器，其特征在于：所述固定段（2）顶部与所述活动段（4）的配合处设有45°切角。
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