CN107834133A - 新型同轴‑矩形波导模式转换器 - Google Patents

新型同轴‑矩形波导模式转换器 Download PDF

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詹铭周
何望栋
龚燕林
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Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波频段的同轴‑矩形波导模式转换器。该模式转换器基于同轴线主模TEM波与矩形波导主模TE10模，包括一个矩形波导输入端口，一段渐变矩形波导，一个同轴线输出端口以及窄边矩形波导到同轴线的匹配结构。TE10模经渐变矩形波导的传输到达窄边矩形波导，再经由匹配结构转换为同轴线的主模TEM模式进行传输。本发明中将同轴探针从矩形波导的宽壁的一侧馈入波导，并与矩形波导的另一侧直接相连；匹配结构则设计在同轴与矩形波导相连接的一侧，同轴探针直接穿过匹配结构到达矩形波导的另一侧，便于加工和装配，降低制作成本，增加成品率。该结构尤其适用于毫米波频率的能量传输领域。

Description

新型同轴-矩形波导模式转换器
技术领域
本发明涉及微波/毫米波能量传输技术领域，具体涉及一种新型同轴-矩形波导模式转换器的设计。
背景技术
在现代卫星通讯、干扰与抗干扰等高科技领域，高频率、宽频带电子系统的发展日新月异。在这些电子系统的研制过程中，基于波导结构的天馈系统的实现至关重要，它们一般都以波导作为输入/输出端口，而实际工程中的馈电电缆或常用测量仪器如矢量网络分析仪、频谱分析仪、功率放大器等，则大多以50Ω/75Ω同轴线作为输入/输出端口，因此高性能的宽带同轴－波导转换器成为保证电子系统正常工作的关键部件之一。
此外，在功率合成技术领域中，由于同轴线具有抗干扰，损耗低，并且传输的模式TEM 模相较于圆波导具而言，模式纯净度更好，工作频带更宽等优点，基于同轴线的径向波导功率分配器得到了广泛的应用。而同轴－波导转换器则使得该系统的应用范围大大增加，因而研究具有宽频带、低损耗、适用频段范围广、结构简单，易于加工和装配等优点的同轴－波导模式转换器已是大势所趋。
本发明基于以上需求，提出了一个新型的基于同轴-矩形波导模式转换器的设计。该同轴 -矩形波导模式转换器将同轴探针从矩形波导的宽壁的一侧馈入波导，并与矩形波导的另一侧直接相连；而匹配结构则在同轴与矩形波导相连接的一侧，并在其中间开一个圆孔，便于同轴探针可以穿过匹配结构到达矩形波导的另一侧，便于模式转换器的加工和装配，降低了制作成本，增加了成品率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够适用于微波/毫米波频段的一种矩形波导到同轴线的新型宽带模式转换器，能够使矩形波导中的TE10模式高效稳定有序地转换为同轴线中的TEM模式。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该矩形波导到同轴线的新型模式转换器包括：一个标准矩形波导输入端口、一段标准矩形波导到非标准波导的渐变结构、一个矩形波导到同轴线的匹配结构以及一个同轴线输出端口。TE10模经过标准矩形波导输入，经过渐变结构到非标准矩形波导，再进入矩形波导到同轴线的匹配结构，将矩形波导中TE10模转换为同轴线中的TEM模，在同轴线中进行主模传输，最后在同轴线输出端口输出稳定纯净的 TEM波。
进一步的是，所述矩形波导到同轴线的模式转换器中，与同轴线相连进行匹配的矩形波导未采用标准矩形波导，所使用的窄边矩形波导能在毫米波频段更好地与同轴线进行匹配，可以简化同轴到矩形波导的匹配结构。
进一步的是，所述矩形波导到同轴线的模式转换器中，标准矩形波导到窄边矩形波导间添加了一段起渐变作用的矩形波导，能够减少标准矩形波导到窄边矩形波导之间的插入损耗，提高整个系统的传输效率。
进一步的是，所述矩形波导到同轴线的模式转换器中，该同轴-矩形波导模式转换器将同轴探针从矩形波导的宽壁的一侧馈入波导，并与矩形波导的另一侧直接相连；而匹配结构则设计在同轴与矩形波导相连接的一侧，同轴探针直接穿过匹配结构到达矩形波导的另一侧，便于模式转换器的加工和装配，降低了制作成本，增加了成品率。
进一步的是，所述矩形波导到同轴线的新型宽带模式转换器中，窄边矩形波导到同轴线的匹配结构由一个薄圆盘和一个矩形块从一边切去半个圆盘的部分组成，易于加工与装配，减小了整个结构受到的加工装配误差的影响，增加了系统的可靠性与传输效率。
本发明的有益效果：一、采用非标准的矩形波导与同轴线进行匹配，可以简化匹配结构，便于同轴到矩形波导的过度；二、标准矩形波导与窄边矩形波导之间添加一段渐变波导，使得结构过度平滑，减少了输入端口的回波损耗；三、窄边矩形波导到同轴线的匹配结构制作在矩形波导与同轴线相连接的正面而非背面，同轴探针直接穿孔而过到达矩形波导的另一侧，易于加工与装配；四、窄边矩形波导到同轴线的匹配结构经过精密设计，结构简单，易于加工装配，减小了整个结构受到的加工装配误差的影响，增加了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明基于矩形波导到同轴线的模式转换器的结构示意图；
图2是本发明基于矩形波导到同轴线的模式转换器的结构左视图；
图3是本发明基于矩形波导到同轴线的模式转换器的匹配结构示意图；
图4是本发明基于矩形波导到同轴线的模式转换器的回波损耗曲线图；
图5是本发明基于矩形波导到同轴线的模式转换器的插入损耗曲线图；
图1中标记说明：标准矩形波导输入端口101、同轴线输出端口106；起渐变作用的渐变台阶102，窄边矩形波导103，打了圆孔的匹配圆台104，切去了半圆部分的匹配矩形块105。图3中标记说明：打了圆孔的匹配圆台104，切去了半圆部分的匹配矩形块105。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
如图1所示，矩形波导到同轴线的模式转换器由矩形波导的端口101作为输入端口，经过渐变台阶102渐变到窄边矩形波导103，同轴线的输出端口为106；窄边矩形波导与同轴线之间存在一个匹配结构，如图2所示，由两部分104、105组成，其中104为一个打了圆孔的匹配圆台，105为一个切去了半个圆块的匹配矩形块。
在上述实施方式中，输入信号模式为矩形波导主模TE10模，TE10模由标准矩形波导端口 101输入，经过渐变台阶102渐变到窄边矩形波导103，这样依次渐变的结构保证了TE10模式从标准矩形波导到窄边矩形波导103的顺利过渡，能将TE10模式的功率有效稳定地传输到窄边矩形波导，减少了传输损耗。
到达窄边矩形波导103的TE10模式继续向同轴线传输，考虑到同轴-矩形波导模式转换器的加工与装配难度，该同轴-矩形波导模式转换器将同轴探针从矩形波导的宽壁的一侧馈入波导，并与矩形波导的另一侧直接相连；而匹配结构则在同轴与矩形波导相连接的一侧，这样的结构简单有效，便于模式转换器的加工和装配，降低了制作成本，增加了成品率。
上述同轴-矩形波导模式转换器矩形波导到同轴线的连接部分设计的匹配结构主要由两部分104、105构成；其中104为一个薄圆台，薄圆台中心打了一个圆形的孔以供同轴线馈入， 105为一个切去了半圆部分的矩形块，矩形块的长边与薄圆台的直径相等，两者完美结合为一体。匹配结构经过精密的设计，使得矩形波导到同轴线的传输具有良好的传输系数。输入 TE10模式经过依次渐变的三段矩形波导以及精密设计的匹配结构的引导，能够高效稳定有序地转换为能在同轴线中传输的TEM模式。
实施例
在该实施例中，如图1所示结构，径向波导功率分配器工作于W频段，工作频率80～100GHz，输入端口101为标准矩形波导，尺寸2.54mm×1.27mm；输出端口为同轴线106，同轴线的外半径为0.5mm、内半径为0.2mm；TE10模由标准矩形波导BJ100 的端口101输入，经过一段渐变矩形波导102的传输到达窄边矩形波导103，再经匹配结构104、105的作用，转换为同轴线的主模TEM模式从同轴线输出端口106输出。
此实例中，标准矩形波导到窄边矩形波导的渐变结构以及窄边矩形波导到同轴线的匹配结构都经过了精密设计，具有较高的回波损耗以及较低的插入损耗。在工作频段80-100GHz内，模式转换器的回波损耗曲线图如图4所示，在整个工作频段内均小于-20dB；模式转换器的插入损耗曲线图如图5所示，在整个工作频段内均大于 -0.044dB。该发明同轴-矩形波导模式转化器在毫米波频段的能量传输领域具有极大的应用价值，也能够向其它频段扩展。

Claims (4)

1.新型同轴-矩形波导模式转换器，所述同轴-矩形波导模式转换器包括一个标准矩形波导输入端口(101)和一个同轴线输出端口(106)、TE10模式经矩形波导输入端口输入，经过渐变台阶(102)到达窄边矩形波导(103)，通过一个打了圆孔的薄圆台(104)与经过一次半圆切割的矩形块(105)组成的匹配结构的作用，转换为同轴线的主模TEM模式从同轴线输出端口(106)输出。
2.如权利要求1所述的新型同轴-矩形波导模式转换器，其特征在于：所述模式转换器采用非标准矩形波导与同轴线直接进行匹配，其好处在于窄边矩形波导相较于标准矩形波导在毫米波频段能更好地与同轴线进行匹配，可以简化同轴矩形波导的匹配结构，方便了加工与装配，增加了成品率。
3.如权利要求1所述的新型同轴-矩形波导模式转换器，其特征在于：该同轴-矩形波导模式转换器将同轴探针从矩形波导的宽壁的一侧馈入波导，并与矩形波导的另一侧直接相连；而匹配结构则在同轴与矩形波导相连接的一侧，并在其中间开一个圆孔，其好处是便于同轴探针穿过匹配结构到达矩形波导的另一侧，便于模式转换器的加工和装配，降低了制作成本，增加了成品率。
4.如权利要求1所述的新型同轴-矩形波导模式转换器，其特征在于：窄边矩形波导到同轴线的匹配结构由两部分(104、105)组成，其中104为在中心打了孔的匹配圆台，105为切去了半圆部分的矩形块，矩形块的长边与薄圆台的直径相等，两者完美结合为一体。匹配结构经过精密设计，其好处是保证了窄边矩形波导到同轴线具有良好的传输系数，且此匹配结构结构简单，易于加工，能有序高效稳定地引导能量的传输。
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