CN108666717A - 一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法，在波导外壁设计周期性金属凸体，作为第一连接部。在另一波导末端设计尺寸相匹配的阶梯波导，作为第二连接部。第一连接部内嵌于第二连接部，通过机械连接构成内部非接触的波导连接结构。对凸体尺寸、连接结构内部间距等参数进行计算，获得合适的电磁禁带特性，实现对结构间隙中电磁泄露的抑制。本发明所提非接触型低无源互调波导连接结构，在不影响电磁传输的前提下实现波导连接的内部非接触，消除了传统连接的接触非线性，有效抑制了无源互调效应，且降低了对材料、加工及装配工艺的要求。同时具有宽带、结构紧凑、容差性强等优点，可应用于各种大功率低无源互调微波部件及测试系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法，能够用于各种大功率低无源互调微波部件及测试系统中，属于微波技术领域。
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。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连接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。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，提出了一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法，通过在常规标准波导外壁构造非接触电磁带隙结构实现对电磁波的束缚，实现了波导连接的内部非接触，代替了传统波导法兰的物理连接电壁，大幅降低了波导连接结构的电接触面积，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连接结构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，且具有体积小、结构紧凑、容差性强等优点，可以应用于各种大功率低无源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，提供了一种非接触型低无源互调波导连接结构，包括：第一连接部和第二连接部；其中，所述第一连接部包括第一波导和若干个金属凸体；其中，若干个金属凸体按照一定的规则均匀地设置于所述第一波导一端的外壁；所述第二连接部包括第二波导和空心阶梯波导结构；其中，所述空心阶梯波导结构设置于所述第二波导的末端；所述第一连接部设置有金属凸体的一端嵌设于所述空心阶梯波导结构。
上述非接触型低无源互调波导连接结构中，若干个金属凸体分成并行排列的m组，并且每组中的金属凸体沿着第一波导的周向均匀分布。
上述非接触型低无源互调波导连接结构中，所述金属凸体为立方体、圆柱体或正方体。
上述非接触型低无源互调波导连接结构中，所述第一连接部还包括第一机械连接部；其中，所述第一机械连接部与所述第一波导的外壁相连接，并且所述第一机械连接部位于金属凸体的后部；所述第一机械连接部与所述空心阶梯波导结构的第二机械连接部通过螺钉或销钉相连接。
上述非接触型低无源互调波导连接结构中，所述第一连接部和所述第二连接部的材料相同，均为金属材料。
上述非接触型低无源互调波导连接结构中，所述第一连接部的中心轴线和所述第二连接部的中心轴线相重合。
上述非接触型低无源互调波导连接结构中，每个金属凸体的高度为hp、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体横向间距为g1，相邻金属凸体纵向间距为g2；金属凸体上表面与空心阶梯波导结构内表面法向间距为ha；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每个金属凸体的仿真模型；(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非接触型波导连接结构初步仿真模型；(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择周期性金属凸体数量，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。
上述非接触型低无源互调波导连接结构中，金属凸体上表面与空心阶梯波导结构内表面法向间距ha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，还提供了一种非接触型低无源互调波导连接结构设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：通过第一波导和若干个金属凸体组成第一连接部；其中，若干个金属凸体按照一定的规则均匀地设置于所述第一波导一端的外壁；步骤二：通过第二波导和与空心阶梯波导结构组成第二连接部；其中，所述空心阶梯波导结构设置于所述第二波导的末端；步骤三：将第一连接部设置有金属凸体的一端插入空心阶梯波导结构。
上述非接触型低无源互调波导连接结构设计方法中，每个金属凸体的高度为hp、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体横向间距为g1，相邻金属凸体纵向间距为g2；金属凸体上表面与空心阶梯波导结构内表面法向间距为ha；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每个金属凸体的仿真模型；(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非接触型波导连接结构初步仿真模型；(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择周期性金属凸体数量，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。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过在常规标准波导外壁构造非接触电磁带隙结构实现对电磁波的束缚，实现了波导连接的内部非接触，代替了传统波导法兰的物理连接电壁，大幅降低了波导连接结构的电接触面积，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，降低了对波导连接结构的材料、电镀、加工及装配工艺的要求。
(3)本发明相比现有技术，可以实现体积更小，结构更紧凑，且具有较好的容差性。
(4)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为本发明一种非接触型低无源互调波导连接结构截面尺寸示意图；
图1-1为本发明的第一连接部中周期性金属凸体结构尺寸示意图；
图2为本发明一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法中第一连接部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为本发明一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法在以S频段WR430波导为例实施过程中第一连接部周期性凸体的色散特性仿真曲线；
图4为本发明一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法在以S频段WR430波导为例实施过程中所采用的具体结构形式，其中，图4(a)为第一连接部的结构示意图，图4(b)为第二连接部的结构示意图，图4(c)为整体的连接结构示意图；
图5为本发明一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法在以S频段WR430波导为例实施过程中，纵向波导端口间隙d在1～7mm范围变化时的插损及驻波实测结果；
图6为依据本发明设计实现的S频段WR430波导对应的低无源互调波导连接结构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。
本实施例提出一种非接触型低无源互调波导连接结构，通过在标准波导外壁四周设计周期性金属凸体结构，作为第一连接部1，在另一标准波导末端设计和第一连接部尺寸相匹配的空心阶梯波导结构，作为第二连接部2。第一连接部插入第二连接部中，通过机械连接保持第一连接部外表面与第二连接部末端空心阶梯波导内表面之间三维方向上均不接触，存在间隙，构成除机械连接外，内部非接触的波导连接结构。通过对周期性金属凸体结构尺寸、凸体上表面与第二连接部末端空心阶梯波导内表面法向间距等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，保证电磁波不从结构间隙中泄露。本实施例所提出的非接触型低无源互调波导连接结构，通过在常规标准波导外壁构造非接触电磁带隙结构实现对电磁波的束缚，实现了波导连接的内部非接触，代替了传统波导法兰的物理连接电壁，大幅降低了波导连接结构的电接触面积，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连接结构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，且具有体积小、结构紧凑、容差性强等优点，可以应用于各种大功率低无源互调微波部件及测试系统中。
如图1和图1-1所示，该非接触型低无源互调波导连接结构包括第一连接部1和第二连接部2。其中，
第一连接部1包括第一波导11、第一机械连接部12和若干个金属凸体13；其中，若干个金属凸体13按照一定的规则均匀地设置于第一波导11一端的外壁；第一机械连接部12与第一波导11的外壁相连接，并且第一机械连接部12位于金属凸体13的后部；第二连接部2包括第二波导21、与第一连接部1的尺寸相匹配的空心阶梯波导结构22和第二机械连接部221；其中，空心阶梯波导结构22设置于第二波导21的末端，第二机械连接部221与空心阶梯波导结构22的末端连接；第一连接部1设置有金属凸体13的一端嵌设于空心阶梯波导结构22，第一机械连接部12与第二机械连接部221通过螺钉或销钉相连接；其中，每个金属凸体13位于第一机械连接部12、第二机械连接部221及空心阶梯波导结构22组成的内部空间内。
具体的，第一连接部1为在标准波导外壁四周设计周期性金属凸体结构，第二连接部2为在另一标准波导末端设计和第一连接部尺寸相匹配的空心阶梯波导结构，第一连接部插入第二连接部中，第一连接部和第二连接部外围设计机械连接结构，通过机械连接构成非接触型低无源互调波导连接结构整体。
若干个金属凸体13分成并行排列的m组，并且每组中的金属凸体13沿着第一波导11的周向均匀分布。
第一连接部的表面周期性金属凸体13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。
第二连接部为标准波导末端设计空心阶梯波导结构，第二连接部尺寸和第一连接部尺寸相匹配，材料与第一连接部相同。
第一连接部和第二连接部外围还存在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。
第一连接部和第二连接部外围的机械连接结构须保持第一连接部的外表面与第二连接部的末端空心阶梯波导内表面之间三维方向上均不接触，存在间隙，构成除机械连接外，内部非接触的波导连接结构。
第一连接部的周期性金属凸体尺寸、凸体上表面与第二连接部末端空心阶梯波导内表面法向间距没有唯一值，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第一连接部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hp、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、凸体上表面与第二连接部末端空心阶梯波导内表面法向间距ha等尺寸参数初值，通常ha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非接触型波导连接结构初步仿真模型，设置第一连接部和第二连接部纵向波导端口间隙d初值为1mm。
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择第一连接部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)根据实际需求在第一连接部和第二连接部外围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S频段WR430波导(工作带宽1.7～2.6GHz)，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第一连接部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。在尺寸参数hp＝20mm，ha＝1mm，w＝t＝g1＝g2＝13mm下电磁禁带范围满足要求，如图3所示，电磁禁带基本覆盖WR430波导的工作频率范围，满足要求。
(3)根据获得的尺寸参数建立WR430波导对应的非接触型波导连接结构仿真模型，选择3排周期性金属凸体单元，设置第一连接部和第二连接部纵向波导端口间隙d初值为1mm。
(4)设置端口功率为200W，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3排周期性凸体结构后，结构缝隙内电场衰减3个数量级，功率衰减约60dB左右。200W(53dBm)功率经衰减后到达机械连接部位约-7dBm，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：hp＝20mm，ha＝1mm，w＝t＝g1＝g2＝13mm，d＝1～7mm。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，设计了具体的机械连接结构形式：在第一连接部的波导壁外围和第二连接部的末端空心阶梯波导结构外围增加机械固定金属面，采用2个对位销钉和8个螺钉进行第一连接部和第二连接部的机械连接固定，如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示。
本实施例还提供了一种非接触型低无源互调波导连接结构设计方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：通过第一波导11、第一机械连接部12和若干个金属凸体13组成第一连接部1；其中，若干个金属凸体13按照一定的规则均匀的设置于第一波导11一端的外壁；第一机械连接部12与第一波导11的外壁相连接，并且第一机械连接部12位于金属凸体13的后部；
步骤二：通过第二波导21、与第一连接部1的尺寸相匹配的空心阶梯波导结构22及第二机械连接部221组成第二连接部2；其中，空心阶梯波导结构22设置于第二波导21的末端；
步骤三：将第一连接部1设置有金属凸体13的一端插入空心阶梯波导结构22，第二机械连接部221与第一机械连接部12相连接；其中，每个金属凸体13位于第一机械连接部12、第二机械连接部221及空心阶梯波导结构22组成的内部空间内。
上述方法中，每个金属凸体3的高度为hp、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体3横向间距为g1，相邻金属凸体3纵向间距为g2；金属凸体3上表面与空心阶梯波导结构22内表面法向间距为ha；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每个金属凸体13的仿真模型；
(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非接触型波导连接结构初步仿真模型，设置第一连接部1和第二连接部2纵向波导端口间隙d初值为1mm；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择周期性金属凸体3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，可在不影响电磁波传输的条件下，实现波导连接结构的稳定低无源互调性能。由于具有结构紧凑的优点，更加适用于低频应用中，可以有效降低低频条件下波导连接结构的尺寸，在大功率微波技术领域具有十分广泛的应用价值。
本实施例通过设计实现S频段WR430波导对应的非接触型低无源互调波导连接结构实现了验证。依据本实施例所实现的低无源互调波导连接结构的插损及驻波实测结果如图5所示，由实测插损及驻波结果可以看出，当第一连接部和第二连接部纵向波导端口间隙d在1～7mm范围变化时，插损及驻波特性均可以满足工程需求，说明了本实施例所提非接触型波导连接结构较好的容差性能。对依据本实施例所实现的WR430波导对应的低无源互调波导连接结构和普通波导法兰进行了无源互调测试实验，测试载波频率分别为2.16GHz和2.21GHz，两路测试载波功率均为20瓦，测量5阶传输及反射无源互调产物，无源互调频率为2.06GHz。实际无源互调的测量结果如图6所示，可以看到，依据本实施例所实现的低无源互调波导连接结构相比普通波导法兰，实现了无源互调抑制度＞30dB，且保持了稳定低无源互调特性。测试结果表明，本实施例所提非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法可以有效地实现稳定低无源互调的波导连接结构设计。
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)
1.一种非接触型低无源互调波导连接结构，其特征在于包括：第一连接部(1)和第二连接部(2)；其中，
所述第一连接部(1)包括第一波导(11)和若干个金属凸体(13)；其中，若干个金属凸体(13)按照一定的规则均匀地设置于所述第一波导(11)一端的外壁；
所述第二连接部(2)包括第二波导(21)和空心阶梯波导结构(22)；其中，所述空心阶梯波导结构(22)设置于所述第二波导(21)的末端；
所述第一连接部(1)设置有金属凸体(13)的一端嵌设于所述空心阶梯波导结构(22)。
2.根据权利要求1所述的非接触型低无源互调波导连接结构，其特征在于：若干个金属凸体(13)分成并行排列的m组，并且每组中的金属凸体(13)沿着第一波导(11)的周向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的非接触型低无源互调波导连接结构，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所述的非接触型低无源互调波导连接结构，其特征在于：所述第一连接部(1)还包括第一机械连接部(12)；其中，所述第一机械连接部(12)与所述第一波导(11)的外壁相连接，并且所述第一机械连接部(12)位于金属凸体(13)的后部；
所述第一机械连接部(12)与所述空心阶梯波导结构(22)的第二机械连接部(221)通过螺钉或销钉相连接。
5.根据权利要求1所述的非接触型低无源互调波导连接结构，其特征在于：所述第一连接部(1)和所述第二连接部(2)的材料相同，均为金属材料。
6.根据权利要求1所述的非接触型低无源互调波导连接结构，其特征在于：所述第一连接部(1)的中心轴线和所述第二连接部(2)的中心轴线相重合。
7.根据权利要求1所述的非接触型低无源互调波导连接结构，其特征在于：每个金属凸体(3)的高度为hp、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体(3)横向间距为g1，相邻金属凸体(3)纵向间距为g2；金属凸体(3)上表面与空心阶梯波导结构(22)内表面法向间距为ha；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每个金属凸体(13)的仿真模型；
(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非接触型波导连接结构初步仿真模型；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择周期性金属凸体(3)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。
8.根据权利要求1所述的非接触型低无源互调波导连接结构，其特征在于：金属凸体(3)上表面与空心阶梯波导结构(22)内表面法向间距ha小于工作频率对应的四分之一波长。
9.一种非接触型低无源互调波导连接结构设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：通过第一波导(11)和若干个金属凸体(13)组成第一连接部(1)；其中，若干个金属凸体(13)按照一定的规则均匀地设置于所述第一波导(11)一端的外壁；
步骤二：通过第二波导(21)和空心阶梯波导结构(22)组成第二连接部(2)；其中，所述空心阶梯波导结构(22)设置于所述第二波导(21)的末端；
步骤三：将第一连接部(1)设置有金属凸体(13)的一端插入空心阶梯波导结构(22)。
10.根据权利要求9所述的非接触型低无源互调波导连接结构设计方法，其特征在于：每个金属凸体(3)的高度为hp、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体(3)横向间距为g1，相邻金属凸体(3)纵向间距为g2；金属凸体(3)上表面与空心阶梯波导结构(22)内表面法向间距为ha；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每个金属凸体(13)的仿真模型；
(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非接触型波导连接结构初步仿真模型；
(4)设置传输功率，根据传输功率大小选择周期性金属凸体(3)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。
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