CN108649306A - 一种低无源互调波导法兰及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低无源互调波导法兰及设计方法，通过在常规法兰面上设计周期性金属凸体，与另一法兰面以一定间距排列构成非接触结构，通过对金属凸体尺寸及法兰间距等参数进行设计计算，获得合适的电磁禁带特性，实现对法兰间隙中电磁波泄露的抑制，结合机械连接结构形成内部非接触的波导法兰。本发明所提低无源互调波导法兰，通过构造非接触电磁带隙结构，在不影响波导间电磁波传输的前提下实现了法兰内部非接触，消除了接触非线性，有效抑制了无源互调效应，且降低了对材料、电镀、加工及装配工艺的要求。同时本发明所提低无源互调波导法兰具有很宽的工作带宽，可完全覆盖相应的波导工作带宽，可应用于各种大功率低互调微波部件及测试系统中。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种低无源互调波导法兰及设计方法。
背景技术
无源互调(Passive Intermodulation，PIM)效应是通信系统中的一种重要的干扰现象，广泛存在于各种大功率微波无源部件及连接结构中。为了保证通信系统的正常工作，需采取有效的无源互调抑制措施。产生无源互调的主要机理为接触非线性和材料非线性，其中材料非线性可以通过选择合适的材料而避免，而接触非线性则普遍存在于各种微波无源结构中。波导结构是各种大功率微波系统中最广泛应用的结构形式之一，而波导法兰连接是波导结构中产生无源互调的首要因素，目前常用的标准波导法兰采用物理连接方式，法兰的连接部分由于电镀、粗糙度、脏污以及材料界面过渡等多种因素的存在，会引起接触非线性，从而产生无源互调效应。
目前已有的针对波导法兰的无源互调抑制措施主要有高压法兰和介质膜隔离方式。高压法兰除了增压台结构外，还需要保证接触面足够高的光洁度和精确的力矩紧固，对于加工装配工艺有着很高的要求，且由于存在着接触，无法从根本上消除接触非线性，存在着长期可靠性问题。介质膜隔离方式由于可靠性问题目前尚无法用于实际产品中。
此外，目前存在的扼流(choke)式法兰，虽然避免了一部分电接触，但是由于其主要结构为四分之一波长扼流槽，无法实现宽带性能，工作带宽较窄，实际应用中也受限制。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种低无源互调波导法兰及设计方法，通过在法兰面上构造非接触电磁带隙结构实现对电磁波的束缚，实现了法兰面的内部非接触，代替了传统的物理连接电壁，大幅降低了法兰面的电接触面积，大幅消除了接触非线性，有效抑制了无源互调效应，且降低了对材料、电镀、加工及装配工艺的要求。同时本专利所提出的低无源互调波导法兰可以实现很宽的工作带宽，可完全覆盖相应的波导工作带宽，可以应用于大功率低互调微波部件及测试系统中。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种低无源互调波导法兰，包括：法兰A和法兰B；其中，所述法兰A的法兰面上按照一定的规则设置有若干个金属凸体；所述法兰A和所述法兰B以一定间距排列构成非接触的间隙结构；其中，所述法兰A的设置有所述金属凸体的法兰面和所述法兰B的法兰面相对；所述法兰A和所述法兰B四周通过机械连接结构连接以构成低无源互调波导法兰。
上述低无源互调波导法兰中，若干个金属凸体按照成行成列的规则设置于所述法兰A的法兰面上。
上述低无源互调波导法兰中，所述金属凸体为立方体、圆柱体或正方体。
上述低无源互调波导法兰中，所述法兰B的法兰面的四周设置与所述法兰A的法兰面的尺寸相匹配的第一凸台；所述第一凸台与所述法兰A的设置有所述金属凸体的法兰面通过螺钉相连接；其中，所述第一凸台的高度大于所述金属凸体的高度。
上述低无源互调波导法兰中，所述法兰A的设置有所述金属凸体的法兰面的四周设置有第二凸台；所述第二凸台与所述法兰B的法兰面通过螺钉相连接；其中，所述第二凸台的高度大于所述金属凸体的高度。
上述低无源互调波导法兰中，每个金属凸体的高度为h、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体的横向间距为g1、纵向间距为g2；金属凸体的上表面与法兰B的法兰面的间距为d；上述各个参数值的获取步骤如下：
(1)在电磁仿真程序中建立法兰A中每个金属凸体的仿真模型，设置周期性边界条件，设置本征求解模式；
(2)通过本征值求解获得色散特性曲线，调整各个参数值，使得色散特性曲线中的频率禁带落入所需的工作频带范围内；
(3)根据获得的各个参数值，在电磁仿真程序中建立整体的波导法兰初步仿真模型；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择法兰A中金属凸体的数量，以保证足够的电磁波传输抑制性能；
(5)仿真获得插损及驻波结果，微调尺寸参数，获得满足的插损及驻波特性。
上述低无源互调波导法兰中，所述金属凸体的上表面与法兰B的法兰面的间距d小于工作频率对应的四分之一波长。
根据本发明的另一方面，还提供了一种低无源互调波导法兰设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：若干个金属凸体按照一定的规则设置在法兰A的法兰面上；步骤二：将法兰A和法兰B以一定间距排列构成非接触的间隙结构；其中，法兰A的设置有金属凸体的法兰面和法兰B的法兰面相对；步骤三：将法兰A和法兰B四周通过机械连接结构连接以构成低无源互调波导法兰。
上述低无源互调波导法兰设计方法中，每个金属凸体的高度为h、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体的横向间距为g1、纵向间距为g2；金属凸体的上表面与法兰B的法兰面的间距为d；上述各个参数值的获取步骤如下：
(1)在电磁仿真程序中建立法兰A中每个金属凸体的仿真模型，设置周期性边界条件，设置本征求解模式；
(2)通过本征值求解获得色散特性曲线，调整各个参数值，使得色散特性曲线中的频率禁带落入所需的工作频带范围内；
(3)根据获得的各个参数值，在电磁仿真程序中建立整体的波导法兰初步仿真模型；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择法兰A中周期性金属凸体的数量，以保证足够的电磁波传输抑制性能；
(5)仿真获得插损及驻波结果，微调尺寸参数，获得满足的插损及驻波特性。
上述低无源互调波导法兰设计方法中，所述金属凸体的上表面与法兰B的法兰面的间距d小于工作频率对应的四分之一波长。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过在法兰面上构造非接触电磁带隙结构实现对电磁波的束缚，实现了法兰面的内部非接触，代替了传统的物理连接电壁，大幅降低了法兰面的电接触面积，大幅消除了接触非线性，有效抑制了无源互调效应。
(2)本发明相比现有技术，降低了对波导法兰材料、电镀、加工及装配工艺的要求。
(3)本发明相比现有技术，可以实现很宽的工作带宽，可完全覆盖相应的波导工作带宽。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的低无源互调波导法兰结构尺寸示意图；
图1-1为法兰A中周期性凸体结构尺寸示意图；
图2为本发明一种低无源互调波导法兰及设计方法中法兰A单个周期性金属凸体结构单元的仿真计算模型示意图；
图3(a)为本发明的在以Ku频段BJ120(WR75)波导为例实施过程中，法兰A周期性凸体在一种尺寸参数下的色散特性仿真曲线；
图3(b)为本发明的在以Ku频段BJ120(WR75)波导为例实施过程中，法兰A周期性凸体在另一种尺寸参数下的色散特性仿真曲线；
图4为本发明一种低无源互调波导法兰及设计方法在以Ku频段BJ120(WR75)波导为例实施过程中所采用的两种不同机械连接结构形式；其中，图4(a)和图4(b)分别是第一种机械连接形式所对应的法兰A和法兰B部分，图4(c)和图4(d)分别是第二种机械连接形式所对应的法兰A和法兰B部分；
图5为依据本发明设计实现的Ku频段BJ120(WR75)低无源互调波导法兰的实测无源互调结果。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提出了一种低无源互调波导法兰及设计方法，通过在常规法兰面上设计周期性金属凸体结构，与另一光滑法兰金属平面以一定间距排列构成非接触的间隙结构，通过对周期性金属凸体结构尺寸及法兰间距等尺寸参数进行详细的设计计算，获得合适的电磁禁带特性，利用此间隙结构的电磁禁带特性，实现对电磁波传输的束缚抑制，保证电磁波不从法兰间隙中泄露，结合机械连接结构形成内部非接触的波导法兰结构。本实施例所提出的低无源互调波导法兰结构，通过在法兰面上构造非接触电磁带隙结构实现对电磁波的束缚，实现了法兰面的内部非接触，代替了传统的物理连接电壁，大幅降低了法兰面的电接触面积，大幅消除了接触非线性，有效抑制了无源互调效应，且降低了对材料、电镀、加工及装配工艺的要求。同时本实施例所提出的低无源互调波导法兰可以实现很宽的工作带宽，可完全覆盖相应的波导工作带宽，可以应用于大功率低互调微波部件及测试系统中。
如图1和图1-1所示，一种低无源互调波导法兰，包括法兰A1和法兰B 2两部分。法兰A为光滑金属法兰面上设计周期性的金属凸体结构，法兰B为光滑金属法兰面，法兰A和法兰B以一定间距排列构成非接触的间隙结构，法兰A和法兰B四周设计机械连接结构，通过机械连接结构构成低无源互调波导法兰整体。法兰A和法兰B的材料相同，都为金属材料。
法兰A表面周期性金属凸体结构形式不限，可以为立方体、圆柱体、正方体等多种规则结构。
法兰B表面为普通光滑金属平面，材料与法兰A相同。
法兰A和法兰B四周为机械连接及固定结构，机械连接及固定结构形式不限，可以为螺钉或销钉等任意连接固定形式。当电磁兼容要求较高时，机械连接结构须设计为封闭式结构，当电磁兼容要求较低时，机械连接结构可以为封闭式或开放式结构。
法兰A和法兰B中的机械连接结构须保证法兰A中周期性金属凸体表面和法兰B光滑金属表面存在一定的间距，构成法兰内部非接触结构。
法兰A中周期性凸体结构尺寸、周期性金属凸体表面与法兰B光滑金属表面间距没有唯一值，通过以下步骤计算获得合适尺寸值：
(1)在电磁仿真程序中建立法兰A中单个周期性金属凸体结构单元的仿真模型，设置凸体结构单元高度h、宽度w、厚度t、相邻凸体结构横向间距g1、相邻凸体结构纵向间距g2、凸体表面与法兰B光滑金属面间距d等尺寸参数初值，通常d小于工作频率对应的四分之一波长，w、t、g1、g2尺寸值相近。设置周期性边界条件，设置本征求解模式。
(2)通过本征值求解获得色散特性曲线，调整各尺寸参数值，使得色散特性曲线中的频率禁带落入所需的工作频带范围内。
(3)根据获得的尺寸参数值，在电磁仿真程序中建立整体的波导法兰初步仿真模型。
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择法兰A中周期性凸体单元数量，以保证足够的电磁波传输抑制性能。
(5)仿真获得插损及驻波结果，微调尺寸参数，获得满足的插损及驻波特性。
(6)根据实际需求在法兰A和法兰B四周设计合适的机械连接结构，选择合适的机械固定方式。
以Ku频段BJ120(WR75)波导(工作带宽9.84～15GHz)，立方体周期性金属凸体结构为例，说明本专利的具体实施过程：
(1)在电磁仿真程序中建立法兰A中单个周期性金属凸体结构单元的仿真模型，如图2所示。设置本征求解模式，求解色散特性。
(2)调整参数，获得合适的色散特性图。在两组尺寸参数(h＝3.4mm；d＝0.2mm；w＝t＝2.3mm；g1＝g2＝2.2mm)和(h＝2.5mm；d＝0.1mm；w＝t＝g1＝g2＝2.2mm)下电磁禁带范围均满足要求，如图3(a)和图3(b)所示，电磁禁带均覆盖BJ120(WR75)波导的工作频率范围9.84GHz～15GHz，满足要求。考虑到加工尺寸的容差性，选择第一组参数。
(3)根据获得的尺寸参数建立BJ120(WR75)波导法兰对应的仿真模型，选择E面方向3排周期性凸体单元，H面方向2排周期性凸体单元。
(4)设置端口功率为100W，仿真计算电场分布特性，根据电场强度分布可以估算出，经过两排周期性凸体结构后，法兰缝隙间电场衰减两个数量级，功率衰减约40dB左右。100W(50dBm)功率经衰减后到达机械连接部位约10dBm，不足以激励起无源非线性，理论上不会产生无源互调效应，因此凸体单元数量选择合适。
(5)仿真获得插损及驻波结果，微调尺寸参数，微调后的尺寸为：h＝3.1mm；d＝0.2mm；w＝t＝g1＝g2＝2.2mm。获得满足的插损及驻波特性，要求在整个波导工作带宽内，驻波和插损性能均能满足工程应用需求。
(6)根据实际需求，采用了两种不同的机械连接结构形式：1)在法兰B四周设计与法兰A尺寸相匹配的凸台作为机械连接结构，通过四个螺钉进行法兰A和法兰B的机械连接固定，如图4(a)和图4(b)所示。2)法兰A四周设计凸台作为机械连接结构，法兰B为标准光滑法兰面，通过四个螺钉进行法兰A和法兰B的机械连接固定，如图4(c)和图4(d)所示。
本实施例可应用于各种大功率低无源互调要求的微波部件及测试系统中，可以在不影响电磁波传输性能的条件下，实现波导法兰连接的稳定低无源互调性能，在大功率微波技术领域具有十分广泛的应用价值。
本实施例还提供了一种低无源互调波导法兰设计方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：若干个金属凸体3按照一定的规则设置在法兰A1的法兰面上；
步骤二：将法兰A1和法兰B2以一定间距排列构成非接触的间隙结构；其中，法兰A1的设置有金属凸体3的法兰面和法兰B2的法兰面相对；
步骤三：将法兰A1和法兰B2四周通过机械连接结构连接以构成低无源互调波导法兰。
上述实施例中，每个金属凸体3的高度为h、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体3的横向间距为g1、纵向间距为g2；金属凸体3的上表面与法兰B2的法兰面的间距为d；上述各个参数值的获取步骤如下：
(1)在电磁仿真程序中建立法兰A1中每个金属凸体3的仿真模型，设置周期性边界条件，设置本征求解模式；
(2)通过本征值求解获得色散特性曲线，调整各个参数值，使得色散特性曲线中的频率禁带落入所需的工作频带范围内；
(3)根据获得的各个参数值，在电磁仿真程序中建立整体的波导法兰初步仿真模型；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择法兰A1中周期性金属凸体3的数量，以保证足够的电磁波传输抑制性能；
(5)仿真获得插损及驻波结果，微调尺寸参数，获得满足的插损及驻波特性。
本实施例通过设计实现Ku频段BJ120(WR75)波导对应的低无源互调波导法兰实现了验证。对依据本专利所实现的低无源互调波导法兰和普通波导法兰进行了无源互调测试实验，载波频率为12GHz和12.75GHz，两路测试载波功率均为50瓦，测量5阶传输无源互调产物，无源互调频率为14.25GHz。实际无源互调的测量结果如图5所示，可以看到，依据本专利所实现的低无源互调波导法兰相比普通波导法兰，实现了无源互调抑制度＞30dB，测试结果表明，本专利所提低无源互调波导法兰及设计方法可以有效地实现稳定低无源互调的波导法兰设计。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种低无源互调波导法兰，其特征在于包括：法兰A(1)和法兰B(2)；其中，
所述法兰A(1)的法兰面上按照一定的规则设置有若干个金属凸体(3)；
所述法兰A(1)和所述法兰B(2)以一定间距排列构成非接触的间隙结构；其中，所述法兰A(1)的设置有所述金属凸体(3)的法兰面和所述法兰B(2)的法兰面相对；
所述法兰A(1)和所述法兰B(2)四周通过机械连接结构连接以构成低无源互调波导法兰。
2.根据权利要求1所述的低无源互调波导法兰，其特征在于：若干个金属凸体(3)按照成行成列的规则设置于所述法兰A(1)的法兰面上。
3.根据权利要求1所述的低无源互调波导法兰，其特征在于：所述金属凸体(3)为立方体、圆柱体或正方体。
4.根据权利要求1所述的低无源互调波导法兰，其特征在于：所述法兰B(2)的法兰面的四周设置与所述法兰A(1)的法兰面的尺寸相匹配的第一凸台(21)；所述第一凸台(21)与所述法兰A(1)的设置有所述金属凸体(3)的法兰面通过螺钉相连接；其中，所述第一凸台(21)的高度大于所述金属凸体(3)的高度。
5.根据权利要求1所述的低无源互调波导法兰，其特征在于：所述法兰A(1)的设置有所述金属凸体(3)的法兰面的四周设置有第二凸台(11)；所述第二凸台(11)与所述法兰B(2)的法兰面通过螺钉相连接；其中，所述第二凸台(11)的高度大于所述金属凸体(3)的高度。
6.根据权利要求1所述的低无源互调波导法兰，其特征在于：每个金属凸体(3)的高度为h、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体(3)的横向间距为g1、纵向间距为g2；金属凸体(3)的上表面与法兰B(2)的法兰面的间距为d；上述各个参数值的获取步骤如下：
(1)在电磁仿真程序中建立法兰A(1)中每个金属凸体(3)的仿真模型，设置周期性边界条件，设置本征求解模式；
(2)通过本征值求解获得色散特性曲线，调整各个参数值，使得色散特性曲线中的频率禁带落入所需的工作频带范围内；
(3)根据获得的各个参数值，在电磁仿真程序中建立整体的波导法兰初步仿真模型；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择法兰A中金属凸体(3)的数量，以保证足够的电磁波传输抑制性能；
(5)仿真获得插损及驻波结果，微调尺寸参数，获得满足的插损及驻波特性。
7.根据权利要求1所述的低无源互调波导法兰，其特征在于：所述金属凸体(3)的上表面与法兰B(2)的法兰面的间距d小于工作频率对应的四分之一波长。
8.一种低无源互调波导法兰设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：若干个金属凸体(3)按照一定的规则设置在法兰A(1)的法兰面上；
步骤二：将法兰A(1)和法兰B(2)以一定间距排列构成非接触的间隙结构；其中，法兰A(1)的设置有金属凸体(3)的法兰面和法兰B(2)的法兰面相对；
步骤三：将法兰A(1)和法兰B(2)四周通过机械连接结构连接以构成低无源互调波导法兰。
9.根据权利要求8所述的低无源互调波导法兰设计方法，其特征在于：每个金属凸体(3)的高度为h、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体(3)的横向间距为g1、纵向间距为g2；金属凸体(3)的上表面与法兰B(2)的法兰面的间距为d；上述各个参数值的获取步骤如下：
(1)在电磁仿真程序中建立法兰A(1)中每个金属凸体(3)的仿真模型，设置周期性边界条件，设置本征求解模式；
(2)通过本征值求解获得色散特性曲线，调整各个参数值，使得色散特性曲线中的频率禁带落入所需的工作频带范围内；
(3)根据获得的各个参数值，在电磁仿真程序中建立整体的波导法兰初步仿真模型；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择法兰A中周期性金属凸体(3)的数量，以保证足够的电磁波传输抑制性能；
(5)仿真获得插损及驻波结果，微调尺寸参数，获得满足的插损及驻波特性。
10.根据权利要求8所述的低无源互调波导法兰设计方法，其特征在于：所述金属凸体(3)的上表面与法兰B(2)的法兰面的间距d小于工作频率对应的四分之一波长。
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| CN109359423A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-02-19 | 北京理工大学 | 一种快速确定矩形波导法兰3阶无源互调产物电平的方法 |
| CN109359423B (zh) * | 2018-11-16 | 2020-10-23 | 北京理工大学 | 一种快速确定矩形波导法兰3阶无源互调产物电平的方法 |
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| CN114069181A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-02-18 | 西安电子科技大学 | 一种小型化非接触式波导传输线及应用 |
| CN114597612A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-06-07 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件 |
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