CN108428987B - 3cm工字形波导渐变线阻抗变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种3CM工字形波导渐变线阻抗变换器，其包括圆形过渡波导，圆形过渡波导的输出端接有负载圆波导，圆形过渡波导内固接有一对脊棱，两脊棱在圆形过渡波导腔内呈对称设置，两脊棱沿圆形过渡波导的输入端过渡到负载圆波导，其中，两脊棱的外脊棱面与圆形过渡波导内壁适配，两脊棱内脊棱面均为沿指数型渐变线过渡的曲面。本发明减小了现有技术中的外接圆波导与工字形波导之间的阶跃处不均匀影响，将工字形脊楞通过渐变，末端和圆波导面贴合，消除阶跃台阶的影响，很好地解决了传统阻抗变换器存在的问题，实现了输入阻抗为18Ω，输出阻抗为720.28Ω，变比达到1:40，传输损耗小于‑10dB。

Description

3CM工字形波导渐变线阻抗变换器
技术领域
本发明属于电学技术领域，涉及电气元件，具体涉及一种3CM工字形波导渐变线阻抗变换器。
背景技术
阻抗变换器是在微波工程中经常用到的无源微波器件，实现传输线与负载（或微波源）之间的匹配。磁控管借助于它，可将外传输波导的高阻抗转换到磁控管所要求的低引入电阻，阻抗变换器的频带特性直接影响磁控管的工作特性，对展宽磁控管的频带、提高效率、增加稳定性起着决定性作用。传统的磁控管波导阻抗变换器是用一段长度为λg/4波导组成（如现有技术附图1所示），结构简单，便于加工，但是匹配带宽是非常窄的，因此很少应用。为了扩展带宽，发展了工字形（附图2）、圆形工字形（附图3）和变态工字形波导（附图4）组成的λg/4阻抗变换器，由于工字形波导脊棱之间存在着集中电容，故其等效阻抗较同样尺寸的圆形波导的低，因此，适宜于作为不同阻抗之间的匹配变换元件，改变脊棱的尺寸（即间隙d ) ，就可在很宽的范围内改变脊波导的等效阻抗，能够实现较大的阻抗变换比。这些类型的λg/4阻抗变换器虽然使工作带宽有所增加，但是由于工字形波导脊棱存在阶跃，即工字形脊棱和波导之间形成的台阶，如现有技术附图2、附图3所示，产生不均匀性，加之其功率容量较小，导致打火、功率大时波导叫（即：功率大时波导内部打火，发出鸣叫声）的情况时常发生。所谓渐变线阻抗变换器，是指其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗过渡到另一条传输线的特性阻抗。渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无限缩短的阶梯变换器演变而来。
发明内容
为了解决磁控管能量输出器工作频带窄，高功率波导打火的问题，本发明提供了一种3CM工字形波导渐变线阻抗变换器。
本发明根据阻抗匹配原理，工字形的脊棱沿指数渐变线光滑的过渡到负载圆波导，完成反射系数小、阻抗变比大和工作频带宽、功率容量大的目的，本发明采用的技术方案具体如下：一种3CM工字形波导渐变线阻抗变换器，包括圆形过渡波导，圆形过渡波导的输出端接有负载圆波导，圆形过渡波导内固接有一对脊棱，两脊棱在圆形过渡波导腔内呈对称设置，两脊棱沿圆形过渡波导的输入端过渡到负载圆波导，其中，两脊棱的外脊棱面与圆形过渡波导内壁适配，两脊棱内脊棱面均为沿指数型渐变线过渡的曲面。
作为优选，负载圆波导为接在圆形过渡波导输出端的盒形窗圆波导。
进一步的，圆形过渡波导输出端末与负载圆波导内壁之间形成环槽台阶。
进一步的，两脊棱沿圆形过渡波导的输入端过渡到负载圆波导的中部，环切两脊棱外脊棱面末端与负载圆波导内壁之间形成环形槽。
作为优选，圆形过渡波导为输入端Din=9.6mm平滑过渡到Dout=18.7mm的圆形过渡波导；Din，表示圆形过渡波导输入端直径；Dout，圆形过渡波导输出端直径。
作为优选，3CM工字形波导渐变线阻抗变换器输入端与输出端的阻抗变比为1:40，频带宽度为4GHz。
本发明的有益效果在于：本发明减小了现有技术中的外接圆波导与工字形波导之间的阶跃处不均匀影响，将工字形脊棱通过渐变，末端和圆波导面贴合，消除图2、图3所示的阶跃台阶的影响，很好地解决了传统阻抗变换器存在的问题。本发明主要用于磁控管能量输出阻抗变换器，圆形工字形波导结构如图6所示，工字形一对内脊棱2沿指数型渐变线过渡到负载圆波导3，外脊棱沿圆形过渡波导1从输入端过渡到负载圆波导3，有利于展宽工作频带，在脊棱末端与负载圆波导之间环切形成环形槽进行电容补偿，减少了工字形脊棱如图2、3所示的阶跃台阶引入的不均性影响，消除工字形脊棱直角尖端放电的隐患，增加了阻抗变换器的功率容量，进一步展宽工作带宽，防止高频击穿，消除波导打火，实现了输入阻抗为18Ω，输出阻抗为720.28Ω，变比达到1:40，传输损耗小于-10dB的工作带宽为4GHz的3CM工字形渐变线阻抗变换器，如图15所示为冷测结果。
附图说明
图1.为现有技术λg/4方波导阻抗变换器，由一段长度为λg/4的方波导组成，λg为方波导波长；
图2 .为现有技术λg/4工字形阻抗变换器，由一段长度为λg/4的工字形波导组成，λg为工字形波导波长；
图3 .为现有技术λg/4圆形工字形阻抗变换器，由一段长度为λg/4的圆形工字形波导组成，λg为圆形工字形波导波长；
图4. 为现有技术λg/4变态圆形工字形阻抗变换器，由一段长度为λg/4的变态圆形工字形波导组成，λg为变态圆形工字形波导波长；
图5. 本发明渐变线结构原理图；
图6.本发明工字形波导结构截面图；
图7.本发明工字形波导等效电路图；
图8.本发明工字形渐变线阻抗变换器结构尺寸示意图；
图9.本发明工字形渐变线阻抗变换器组合图；
图10.本发明圆形过渡波导结构图；
图11.本发明输入端工字形波导结构图；
图12.本发明渐变线脊棱曲线图；
图13.本发明单个渐变线脊棱波导结构示意图；
图14.本发明双渐变线脊棱配合结构示意图；
图15.本发明3CM工字形波导渐变线阻抗变换器传输损耗S11冷测结果图。
图中：1-圆形过渡波导，2-渐变线脊棱，3-负载圆波导。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明做进一步解释和说明；
一种3CM工字形波导渐变线阻抗变换器，包括圆形过渡波导1，圆形过渡波导的输出端接有负载圆波导3，且圆形过渡波导输出端末与负载圆波导内壁之间形成环槽台阶，圆形过渡波导内固接有一对脊棱2，两脊棱在圆形过渡波导腔内呈工字形对称设置，两脊棱2的外脊棱面与圆形过渡波导1内壁适配，两脊棱2的内脊棱面均为沿指数型渐变线过渡的曲面，两脊棱2沿圆形过渡波导的输入端过渡到负载圆波导的中部，两脊棱2外脊棱面的末端环切与负载圆波导3内壁之间形成环形槽。3CM工字形波导渐变线阻抗变换器输入端与输出端的阻抗变比为1:40，频带宽度为4GHz。所述圆形过渡波导1为输入端Din=9.6mm平滑过渡到Dout=18.7mm的圆形过渡波导。所述负载圆波导为接在圆形过渡波导输出端的盒形窗圆波导。
如图10所示,为圆形过渡波导的结构尺寸图，由输入端的Din=9.6mm平滑过渡到Dout=18.7mm，再加工深度为3mm的环槽台阶，将一对脊棱如图14所示,起始端脊间距d为0.28mm,和圆形过渡波导焊接形成完整的圆形工字形波导阻抗变换器，如图8、图9所示。
如图6所示，圆形工字形波导的基波是横电波类型的TE10波，其截止波长为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中Cd为脊边缘的电容，其值由保角变换法所得下面计算公式
Figure 703961DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 214576DEST_PATH_IMAGE004
，ε是脊棱间介质的介电常数，自由空间
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，d为脊间距、R为圆弧半径、s为脊高度、
Figure 728734DEST_PATH_IMAGE006
，单位为弧度，如图6所示。
圆形工字形波导的特性阻抗Zh计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（3）
式中，λ0为工作波长，λc为工字形截止波长。
如附图5所示，渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无限缩短的阶梯变换器演变而来。总反射系数
Figure 729138DEST_PATH_IMAGE008
（4）
其中，L是渐变线的总长度，z表示到输入端距离，如图5所示，β是与z无关的相位常数。当β=β(z)时
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（5）
给定
Figure 277931DEST_PATH_IMAGE010
的函数形式就可以根据上式算出总反射系数Γ随频率变化的特性。
本发明中阻抗渐变采用的指数渐变线函数为:
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（6）
在z=0处有 Z(0)=Z0=A,Z0为渐变线始端阻抗，在z=L处，
Figure 569235DEST_PATH_IMAGE012
，ZL为末端即外接圆波导特性阻抗。
本发明中磁控管的引入阻抗为18Ω，外接圆波导尺寸为22mm，则Z0=18Ω，ZL=720.28Ω。在图8中，为了使阻抗变换过程中不激起高次模，变换段的长度应大于最低工作波长的一半，因此取L=18.8mm，为了带宽增加的更宽，频带特性更好，变比更大，一般延伸1-2mm，延伸尺寸到20.3mm，L表示圆形过渡波导的长度。由（6）式可以求得A=18，k=1.96246534862002，则本发明阻抗指数渐变线函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（7）
如图6、8所示，s表示脊棱高度，s的值通常取磁控管谐振腔高度，选取s=6mm，由（7）式可以计算出沿渐变线长度方向每点的特性阻抗
Figure 695323DEST_PATH_IMAGE014
，通过联立求解（1）、（2）、（3）、（6）式即可得到脊间距离d沿长度L方向的分布函数f(x)，经过拟合的内脊楞面渐变线方程为系数A=0.142843676757961，指数常数k=0.21113149464766，根据零件加工的公差要求取起始端脊间距离d0=A=0.14mm， k=0.21113，则内脊楞面相对于工字形中心面的位置函数为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，如图13所示。
圆形过渡波导的输出端接盒形窗圆波导, 外脊棱面以圆形过渡波导尺寸加工，外脊棱末端环切直径为D=18.7mm，最后加工的渐变线脊棱结构如图13所示，一对脊棱组合结构尺寸图如图14所示。
3CM工字形渐变线阻抗变换器实现了输入阻抗为18Ω，输出阻抗为720.28Ω，变比达到1:40，进行实测比较，相近尺寸的工字形阻抗变换器当脉冲功率大于20kW时工字形波导叫，该发明结构在脉冲功率大于50kW时工字形波导未叫，冷测的频带特性如图15所示，传输损耗小于-10dB的工作宽带达到4GHz。

Claims (1)

1.一种3CM工字形波导渐变线阻抗变换器，其特征在于：包括圆形过渡波导（1），圆形过渡波导的输出端接有负载圆波导（3），圆形过渡波导（1）内固接有一对脊棱（2），两脊棱在圆形过渡波导腔内呈对称设置，两脊棱（2）沿圆形过渡波导的输入端过渡到负载圆波导，其中，两脊棱（2）的外脊棱面与圆形过渡波导（1）内壁适配，两脊棱（2）内脊棱面均为沿指数型渐变线过渡的曲面；
负载圆波导（3）为接在圆形过渡波导输出端的盒形窗圆波导；
圆形过渡波导（1）输出端末与负载圆波导（3）内壁之间形成环槽台阶；
两脊棱 （2）沿圆形过渡波导的输入端过渡到负载圆波导的中部，环切两脊棱（2）外脊棱面末端与负载圆波导（3）内壁之间形成环形槽；
圆形过渡波导（1）为输入端Din=9.6mm平滑过渡到Dout=18.7mm的圆形过渡波导；Din，表示圆形过渡波导输入端直径；Dout，圆形过渡波导输出端直径；
3CM工字形波导渐变线阻抗变换器输入端与输出端的阻抗变比为1:40，频带宽度为4GHz。
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Denomination of invention: 3CM I-shaped waveguide gradient line impedance converter

Effective date of registration: 20230913

Granted publication date: 20201208

Pledgee: Bank of China Limited Pingliang Branch

Pledgor: GANSU HONGGUANG ELECTRONIC CO.,LTD.

Registration number: Y2023980056732