CN108063304A - 超宽带绝缘子式波导探针及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超宽带绝缘子式波导探针，连接设置在矩形波导和微带线之间进行匹配转换，由探针针头、以及与该探针针头连接的探针针体组成多级阶梯结构；其中，探针针体包含：芯轴，直径小于探针针头的直径；中间匹配层，长度小于芯轴的长度，围绕设置在芯轴的外部，且位于芯轴的中间位置；外部匹配层，围绕设置在中间匹配层的外部。本发明还涉及一种超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，在矩形波导上采用三级阶梯状安装孔，用于波导探针的烧结安装。本发明能实现电磁波从矩形波导传输媒介到微带线传输媒介的低插损转换，插损低，驻波小；并且使用方法得到有效简化，技术指标一致性非常高，气密性好，性能可靠，具有实际工程意义。
Description
技术领域
本发明涉及波导探针技术，具体是指一种超宽带绝缘子式波导探针及其安装方法，属于微波技术领域。
背景技术
在微波传输系统中有两种常见的传输媒介。一种是波导，很多微波和毫米波组件接口均采用波导，以及很多微波测试系统和传输系统也是采用波导接口。另一种是平面传输媒介，比较普遍使用的是微带传输线，其因具备体积小、重量轻、频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，而在微波毫米波电路中被广泛应用。在工程应用中，如何实现电磁波在上述二者之间进行超低插损的匹配转换就显得尤为重要。
如图1所示，为传统的微带板形式的波导探针，用于在波导和微带之间进行匹配转换。波导在传输方向上有两组尺寸，因此存在台阶，于是将该微带板形式的波导探针1的外形结构设计为台阶结构3，匹配安装在波导的台阶处，并在四周用双组分胶将其粘接在波导上，同时还在其另一面用南大703胶进行二次固定。该微带板形式的波导探针1的内部设置金丝4以及用于过渡的微带2。采用这种结构形式的波导探针具有明显的缺点，频带窄，反射损耗大，插损大，驻波差。
中国专利201611055870.4《一种介质波导探针结构》，介绍了一种介质波导探针结构，采用介质探针进行微波信号的传输，其介质探针的厚度为波导腔内传输信号频率的四分之一波导波长，解决了现有玻璃探针在高冲击下，高低温快速变化及过高过低温度下容易断裂的问题。但是，该技术未实现低成本而高可靠性探针的设计，而且在设计方法时明确了介质厚度完全取决于信号的频率，因此该发明中所述的介质波导探针的信号带宽受到很大制约，低于本发明所能达到的范围。
中国专利CN204577554U《矩形波导转换器》，在波导内部设计多级台阶状凹陷，该多级台阶状凹陷的高度丛波导的封闭一端到另一端依次降低，主要利用波导自身的结构变化实现阻抗匹配，直接导致成本增加。而且要设计介质板，使其两端分别抵接波导的内壁，具体使用时无疑增加了大量的装接工作。考虑到金属和介质装接在一起的可靠性太差，低于本发明所能达到的范围。
中国专利CN201038291Y《宽带同轴-波导转接器》，同样也是通过改变波导的形状，波导在靠近短路端的高度大于波导开口端的高度，来达到阻抗匹配的效果。虽然避免了上述专利中多级台阶状凹陷设计带来的成本压力，但是又带了新的问题，小型化是微波毫米波电路的发展趋势，而且在实际设计中不一定能满足空间的扩充，因此也低于本发明所能达到的范围。
西安电子工程研究所宋志东发表的论文《一种Ku波段波导-微带转换器的研制》，采用波导-脊波导-微带板的形式，实现了波导媒介与微带板媒介之间的匹配转换，脊波导与微带的连接采用硬压力接触，这就导致其性能与压力接触相关，所以其可靠性较差，低于本发明所能达到的范围。
广州海格通信集团股份有限公司陈小忠发表的论文《Ku频段波导微带转换的设计与分析》，采用微带板作为探针，插入波导腔内耦合微波能量，这样结构或者微带板的加工精度对测试结果影响很大，指标一致性差，另一方面，振动条件下，悬空的微带板一端一定会发生微振，直接影响探针的性能，低于本发明所能达到的范围。
上述提到的专利和论文均没有采用绝缘子作为波导与微带之间的转换方式。因此，本发明提出一种超宽带绝缘子式波导探针，有效解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种超宽带绝缘子式波导探针及其安装方法，实现电磁波从矩形波导传输媒介到微带线传输媒介的低插损转换，插损低，驻波小；并且使用方法得到有效简化，技术指标一致性非常高，气密性好，性能可靠，具有实际工程意义。
为实现上述目的，本发明提供一种超宽带绝缘子式波导探针，连接设置在矩形波导和微带线之间进行匹配转换，由探针针头、以及与该探针针头连接的探针针体组成多级阶梯结构；其中：所述的探针针头由第一导体制成；所述的探针针体包含：芯轴，由第一导体制成，其直径小于探针针头的直径，且一端与探针针头连接；中间匹配层，由第二导体制成，其长度小于芯轴的长度，围绕设置在芯轴的外部，且位于芯轴的中间位置；外部匹配层，由第一导体制成，其围绕设置在中间匹配层的外部。
所述的波导探针满足特性阻抗变换关系：
其中，Zin为波导探针的阻抗；Z01为矩形波导的阻抗；Z02为微带线的阻抗。
根据所述的特性阻抗变换关系，对波导探针的以下尺寸及公差进行调整优化，包括：探针针头的直径D1，探针针头的长度L1；芯轴的直径D2，探针针头与中间匹配层之间的芯轴长度L2，中间匹配层与探针针体末端之间的芯轴长度L4；中间匹配层的直径D3，中间匹配层的长度L3；外部匹配层的直径D4。
进一步，在所述的探针针头与芯轴连接侧的端部设置有环形缺口；并根据特性阻抗变换关系，确定该环形缺口的半径r。
所述的波导探针通过烧结一体制成，其中第一导体和第二导体均采用玻璃粉与可伐合金制成。
本发明还提供一种超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，将波导探针连接设置在矩形波导和微带线之间进行匹配转换，包含以下步骤：
S1、在矩形波导内开设具有侧面开口的波导腔，作为第三级安装孔；在矩形波导的侧壁上开设与波导腔连通的第二级安装孔、以及与第二级安装孔连通的第一级安装孔；三级安装孔呈阶梯状设置；
S2、将波导探针的探针针头设置在矩形波导的波导腔内；
S3、将设置有中间匹配层和外部匹配层的探针针体设置在第二级安装孔内，将中间匹配层与探针针体末端之间的芯轴穿过第一级安装孔伸出至矩形波导的外部，并与微带线连接。
所述的S1中，波导腔的直径大于第二级安装孔的直径，且第二级安装孔的直径大于第一级安装孔的直径。
所述的S2中，设置探针针头至矩形波导的侧面开口的平面处的距离为λ/4，其中，λ为真空波长。
所述的S3中，在第二级安装孔与矩形波导的侧壁内壁面连接处设置有第一空气腔。
所述的S3中，在第一级安装孔与矩形波导的侧壁外壁面连接处设置有第二空气腔。
在所述的S3后，还包含：S4、将侧面封盖设置在波导腔的侧面开口处，并采用多颗沉头螺钉，将该侧面封盖紧固连接在矩形波导上。
综上所述，本发明所提供的超宽带绝缘子式波导探针及其安装方法，可实现宽频带范围内矩形波导与微带线之间的良好阻抗匹配，技术指标优良，插损低，驻波小。相比于传统的微带板形式的波导探针，不仅使用方法得到有效简化，而且经过大量实验数据验证后，本发明的波导探针的技术指标一致性非常高，气密性好，性能可靠，具有实际工程意义。
附图说明
图1为现有技术中的传统微带板形式的波导探针的结构示意图；
图2为本发明中的绝缘子式波导探针的结构示意图；
图3为本发明中的超宽带绝缘子式波导探针的电路模型图；
图4为本发明中的超宽带绝缘子式波导探针的安装方法的剖面图；
图5为本发明中的超宽带绝缘子式波导探针的安装方法的俯视图；
图6为本发明中的波导腔体的侧面封盖的结构示意图；
图7为本发明中的超宽带绝缘子式波导探针的仿真特性示意图。
具体实施方式
以下结合图2～图7，详细说明本发明的一个优选实施例。
如图3所示，为所述的波导探针的电路模型图，其基于射频软件CST建立。结合电磁波在矩形波导和微带线中的传输特点以及阻抗匹配原理，该波导探针须满足特性阻抗变换关系：
其中，Zin为波导探针的阻抗；Z01为矩形波导的阻抗；Z02为微带线的阻抗。
在本发明的一个优选实施例中，微带线的阻抗Z02取50Ω。而对于矩形波导，其等效特性阻抗为：
上式中，λ为真空波长；λg为矩形波导的波长；μ为磁导率；ε为介电常数；并且有：
其中，c为光速，波导探针的工作频率f为10GHz～20GHz，矩形波导的宽边a为23mm，窄边b为5mm，分别代入上述公式，从而能够得到真空波长λ＝20mm，矩形波导的波长λg＝22.21mm，并且最终得到矩形波导的阻抗Z01＝418.44Ω。
进一步，对于波导探针，由于其探针针体末端的电流为零，且电磁波在传输方向上以正弦波的形式分布，因此其输入阻抗Zin＝Rin+jXin，式中，Rin和Xin分别表示其电阻和电抗。通过调整Rin使其满足矩形波导和微带线之间的阻抗匹配关系，即Rin可根据矩形波导及微带线的阻抗获得；并通过调整Xin以抵消激励高次模的电抗，使波导探针在矩形波导的波导腔内处于最大电压处，即电场最强的波腹位置。
在无限长的矩形波导中，电磁波是均匀传输的，而在波导探针这个转换器中则存在短路面，电磁波将在此处发生反射，正、反方向的电磁波叠加形成波节，波节间距为λ/2，因此取波导探针到短路面的距离h为λ/4时，则能使得波导探针处于波导腔内的电场最强处，此时电磁波的传输效率最大。
根据上述的设计前提和原则，如图2所示，为本发明所提供的超宽带绝缘子式波导探针，连接设置在矩形波导和微带线之间进行匹配转换，由探针针头71、以及与该探针针头71连接的探针针体组成多级阶梯结构；其中：所述的探针针头71由第一导体制成；所述的探针针体包含：芯轴72，由第一导体制成，其直径小于探针针头71的直径，且一端与探针针头71连接；中间匹配层73，由第二导体制成，其长度小于芯轴72的长度，围绕设置在芯轴72的外部，且位于芯轴72的中间位置，即芯轴72的两端端部露出，未被中间匹配层73围绕设置；外部匹配层74，由第一导体制成，其围绕设置在中间匹配层73的外部。
由于现有技术中采用的单级结构的探针往往会引起矩形波导内电磁波传输的突变，因此本发明考虑采用上述的多级阶梯结构的波导探针，能够有效降低矩形波导的等效阻抗。
根据所述的特性阻抗变换关系为了使得波导探针的输入阻抗Zin满足该关系式，需要对波导探针中的以下几个关键尺寸及公差范围进行调整和优化，以有效改善波导探针的阻抗匹配特性，具体为：探针针头71的直径D1为2.85mm，探针针头71的长度L1为0.86mm；芯轴72的直径D2为0.30mm，探针针头71与中间匹配层73之间的芯轴72的长度L2为1.32mm，中间匹配层73与探针针体末端之间的芯轴72的长度L4为2.50mm；中间匹配层73的直径D3为2.00mm，中间匹配层73的长度L3为1.85mm；外部匹配层74的直径D4为2.49mm；并且上述所有尺寸的公差在±0.05mm范围内。
进一步，在所述的探针针头71与芯轴72连接侧的端部设置有环形缺口，并且根据特性阻抗变换关系，设置该环形缺口的半径r为0.34mm，公差在±0.05mm范围内。由于探针针头71与探针针体的芯轴72的连接侧在结构上具有较大的突变，因此考虑设置一个环形缺口，能够缓和波导探针在此处的突变，从而能够进一步有效改善波导探针的阻抗匹配特性，减小探针阻抗对频率变化的敏感性，改良驻波系数，并且拓宽带宽。
根据上述调整和优化后的尺寸设计得到的波导探针，其电路模型如图3所示，仿真特性如图7所示。
本发明所述的波导探针采用绝缘子形式，分别由第一导体和第二导体制成的各个部分通过烧结一体制成，具有良好的耐高温、电气性能和气密性。其中第一导体和第二导体均采用玻璃粉与可伐合金制成。所述的可伐合金选用4J29可伐合金，在20℃～450℃的范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数，与相应的硬玻璃能进行有效的封装匹配，并且具有较高的居里点以及良好的低温组织稳定性，其电导率为2.174×106s/m，具备良好的电性能，表面镀金处理后，极易烧结。由于现有技术中的探针是采用聚四氟乙烯介质制备得到的，在实际应用中，极可能发生解体现象。相比之下，本发明中的波导探针采用相对介电常数为4.0的材料一体化设计制成，质地坚实，彻底解决了“解体”的问题。
基于上述，本发明提供的超宽带绝缘子式波导探针，采用多级阶梯设计，在结构突变处设置环形缺口进行缓和，并根据特性阻抗变换关系对波导探针的各尺寸进行了优化，使得匹配更良好，插损更小，带宽更宽，实现了电磁波在矩形波导和微带线这两种传输媒介之间的低插损转换。
如图4和图5所示，本发明还提供一种超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，将波导探针连接设置在矩形波导1和微带线5之间进行匹配转换，包含以下步骤：
S1、在矩形波导1内开设具有侧面开口的波导腔3，作为第三级安装孔；在矩形波导1的侧壁上开设与波导腔3连通的第二级安装孔、以及与第二级安装孔连通的第一级安装孔；三级安装孔呈阶梯状设置；
S2、将波导探针的探针针头71设置在矩形波导1的波导腔3内；
S3、将设置有中间匹配层73和外部匹配层74的探针针体烧结设置在第二级安装孔内，将中间匹配层73与探针针体末端之间的芯轴72穿过第一级安装孔伸出至矩形波导1的外部，并与微带线5连接。
所述的S1中，波导腔3的直径大于第二级安装孔的直径，且第二级安装孔的直径大于第一级安装孔的直径。考虑到电磁波从矩形波导输入，中间经过波导探针，再到微带线输出的整个过程均需要满足阻抗匹配状态，因此采用三级阶梯形状的安装孔，从而确保波导探针从矩形波导到微带线过渡的匹配保证。
所述的S3中，在第二级安装孔与矩形波导1的侧壁内壁面连接处设置有第一空气腔。在本发明的优选实施例中，通过仿真优化，设定该第一空气腔的直径为D4+2mm，深度为0.05mm，由于该空气腔的尺寸太小，图中并未显示。
所述的S3中，在第一级安装孔与矩形波导1的侧壁外壁面连接处(也就是与微带线5的连接面处)设置有第二空气腔6。在本发明的优选实施例中，通过仿真优化，设定该第二空气腔的直径为D3+2mm，深度为1mm。
由于设置了两级空气腔，能进一步改善波导腔内的阻抗突变，并同时改善因阻抗突变引起的驻波系数的恶化情况。
在所述的S3后，还包含：S4、将单独设计制造的侧面封盖2设置在波导腔3的侧面开口处，并采用6颗沉头螺钉4，将该侧面封盖2紧固连接在矩形波导1上。这种将矩形波导1先解体再最后合成的设计思路，能够为波导探针的烧结安装提供较大的空间和便利，并且具备其他形式无法比拟的气密性。
所述的S2中，设置探针针头71至矩形波导1的侧面开口的平面处的距离为λ/4，其中，λ为真空波长。此处，矩形波导1的侧面开口的平面处为电磁波在波导腔3中传输的短路面，矩形波导1的侧面开口由于设置有侧面封盖从而使得波导腔3形成完整的波导腔。并且本实施例中，探针针头71至短路面的距离设定为5.48mm，公差在±0.05mm范围内，可使得波导探针处于波导腔3内的电场最强处，此时电磁波的传输效率最大。
基于上述，本发明提供的超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，采用三级阶梯安装孔，进一步优化矩形波导至微带线的匹配；将波导探针烧结在矩形波导与微带线之间的侧壁中进行过渡，气密型好，可靠性高。
经过实验室大量数据验证，采用本发明提供的超宽带绝缘子式波导探针及其安装方法，在10GHz～20GHz频率范围内，具有极好的阻抗匹配特性，波导探针的插入损耗均小于0.3dB，驻波小于1.5，性能优良，无需后期调试，而且指标一致性高，气密性好，具有工程实际意义。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种超宽带绝缘子式波导探针，连接设置在矩形波导和微带线之间进行匹配转换，其特征在于，该波导探针由探针针头、以及与该探针针头连接的探针针体组成多级阶梯结构；其中：
所述的探针针头由第一导体制成；
所述的探针针体包含：芯轴，由第一导体制成，其直径小于探针针头的直径，且一端与探针针头连接；中间匹配层，由第二导体制成，其长度小于芯轴的长度，围绕设置在芯轴的外部，且位于芯轴的中间位置；外部匹配层，由第一导体制成，其围绕设置在中间匹配层的外部。
2.如权利要求1所述的超宽带绝缘子式波导探针，其特征在于，所述的波导探针满足特性阻抗变换关系：
<mrow>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>01</mn>
</msub>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>02</mn>
</msub>
</mrow>
</msqrt>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，Zin为波导探针的阻抗；Z01为矩形波导的阻抗；Z02为微带线的阻抗。
3.如权利要求2所述的超宽带绝缘子式波导探针，其特征在于，根据所述的特性阻抗变换关系，对波导探针的以下尺寸及公差进行调整优化，包括：
探针针头的直径D1，探针针头的长度L1；
芯轴的直径D2，探针针头与中间匹配层之间的芯轴长度L2，中间匹配层与探针针体末端之间的芯轴长度L4；
中间匹配层的直径D3，中间匹配层的长度L3；
外部匹配层的直径D4。
4.如权利要求1所述的超宽带绝缘子式波导探针，其特征在于，在所述的探针针头与芯轴连接侧的端部设置有环形缺口；并根据特性阻抗变换关系，确定该环形缺口的半径r。
5.如权利要求1所述的超宽带绝缘子式波导探针，其特征在于，所述的波导探针通过烧结一体制成，其中第一导体和第二导体均采用玻璃粉与可伐合金制成。
6.一种超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，将波导探针连接设置在矩形波导和微带线之间进行匹配转换，其特征在于，包含以下步骤：
S1、在矩形波导内开设具有侧面开口的波导腔，作为第三级安装孔；在矩形波导的侧壁上开设与波导腔连通的第二级安装孔、以及与第二级安装孔连通的第一级安装孔；三级安装孔呈阶梯状设置；
S2、将波导探针的探针针头设置在矩形波导的波导腔内；
S3、将设置有中间匹配层和外部匹配层的探针针体设置在第二级安装孔内，将中间匹配层与探针针体末端之间的芯轴穿过第一级安装孔伸出至矩形波导的外部，并与微带线连接。
7.如权利要求6所述的超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，其特征在于，所述的S1中，波导腔的直径大于第二级安装孔的直径，且第二级安装孔的直径大于第一级安装孔的直径。
8.如权利要求6所述的超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，其特征在于，所述的S2中，设置探针针头至矩形波导的侧面开口的平面处的距离为λ/4，其中，λ为真空波长。
9.如权利要求6所述的超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，其特征在于，所述的S3中，在第二级安装孔与矩形波导的侧壁内壁面连接处设置有第一空气腔，在第一级安装孔与矩形波导的侧壁外壁面连接处设置有第二空气腔。
10.如权利要求6所述的超宽带绝缘子式波导探针的安装方法，其特征在于，在所述的S3后，还包含：S4、将侧面封盖设置在波导腔的侧面开口处，并采用多颗沉头螺钉，将该侧面封盖紧固连接在矩形波导上。
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