CN110492204A - 一种无法兰波导连接结构及设计方法 - Google Patents

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孙冬全
崔万照
李小军
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Abstract

本发明公开了一种无法兰波导连接结构，包括阳连接部和阴连接部，阳连接部包括第一波导和周期性金属凸体阵列，其中周期性金属凸体阵列设置于第一波导的末端外壁四周表面，若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列；阴连接部包括第二波导和扩大腔体结构，其中扩大腔体结构设置于第二波导的末端，阳连接部的带有周期性金属凸体阵列的一端插入阴连接部的扩大腔体结构中，形成无法兰波导连接结构整体。本发明所提无法兰波导连接结构相比传统波导法兰，体积大幅缩小，更加有利于结构布局，且插拔式设计可以实现更加方便灵活的装配。

Description

一种无法兰波导连接结构及设计方法
技术领域
本发明涉及一种无法兰波导连接结构及设计方法，能够用于各种微波部件及系统连接结构中，属于微波技术领域。
背景技术
波导是传输微波信号的重要传输线，其中最常用的为矩形波导，包括矩形金属管和法兰，法兰位于金属管的两端，用于波导管之间的连接固定，金属管与法兰面垂直、居中，不同频段的波导管矩形截面和法兰面大小不同。波导传输线由于具有低插损、高功率容量等优势，在卫星有效载荷系统中广泛应用。由于卫星载荷平台空间及运载工具运载能力的限制，体积和重量成为载荷设计的重要考虑因素。卫星载荷的微波系统中需要采用大量的连接结构，传统的波导法兰连接带来了体积和重量的额外大幅增加，不利于载荷的小型紧凑轻量化设计。针对此问题，当前在卫星工程应用中已经逐渐开始采用无法兰波导连接，以期减小法兰所带来的体积和重量增加。
目前工程应用中已采用的无法兰波导连接大多采用焊接方式实现，主要包括套箍式焊接和直接对接焊接式两种，均是采用焊接工艺实现波导的无法兰连接，其性能的好坏取决于焊接工艺的合格与否。如果焊接工艺的一致性难以保证，则焊接后的无法兰波导连接其电磁传输性能难以预估和保证。另一方面，焊接为不可逆过程，一旦焊接完成，波导结构和位置则无法改变，不利于系统中各部件及组件的灵活拆卸组装，不利于系统的整体设计和灵活布局，且直接对接焊接结构的机械稳定性不高。如果采用波导直接插拔式设计，则由于机加工误差及粗糙度的存在，实际中不可能形成理想电接触，插拔接触表面间会存在空气间隙，造成电磁泄露，影响电磁传输性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，本发明提供了一种无法兰波导连接结构及设计方法，通过插拔式结构实现波导间的快速插拔连接，在插拔连接部位通过特定设计的周期性金属凸体阵列结构及相应的扩大腔体结构，实现宽带范围内的电磁场屏蔽功能，阻止插拔连接部位的电磁泄漏，代替传统的波导法兰连接，有效降低传统法兰连接的体积和重量。
本发明的技术解决方案是：
一种无法兰波导连接结构，实现矩形波导之间的无法兰连接，包括阳连接部和阴连接部，阳连接部包括第一波导和周期性金属凸体阵列，其中周期性金属凸体阵列设置于第一波导的末端外壁四周表面，若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列；
阴连接部包括第二波导和扩大腔体结构，其中扩大腔体结构设置于第二波导的末端，阳连接部的带有周期性金属凸体阵列的一端插入阴连接部的扩大腔体结构中，形成无法兰波导连接结构整体；在金属凸体与扩大腔体结构内表面间满足一定空气间隙范围内，周期性金属凸体阵列与扩大腔体结构内表面共同组成电磁带隙结构，电磁带隙结构的电磁禁带完全覆盖所需的波导工作带宽。
周期性周期性金属凸体阵列中的金属凸体形状为立方体、圆柱体或正方体。
第一波导的末端外壁的同一平面内，金属凸体高度及结构形式保持一致。
扩大腔体结构的内腔宽高尺寸值大于周期性金属凸体阵列的外轮廓宽高尺寸值2-100微米，使阳连接部插入阴连接部时形成紧连接。
扩大腔体结构的内腔深度不小于周期性金属凸体阵列沿波导方向的纵向长度。
还包括机械连接结构，用于固定连接阳连接部和阴连接部。
周期性金属凸体阵列的设置方法为：
(1)建立周期性金属凸体阵列中单个金属凸体的仿真模型，设置仿真模型尺寸参数初值，设置周期性边界条件及设置本征求解模式；
(2)进行机械加工容差性能分析：根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式获得周期性金属凸体阵列的电磁禁带特性，调整仿真模型尺寸参数初值，使在所设定的实际空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖所需的波导工作带宽，获得仿真模型尺寸参数值；
(3)根据获得的仿真模型尺寸参数值，建立无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构内表面间的空气间隙设定为典型值；
(4)进行装配容差性能分析：根据实际装配误差，设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距，仿真获得无法兰波导连接的插入损耗及驻波性能，根据所需的插入损耗及驻波性能要求，获得装配容差范围；
(5)设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距为装配容差的最大值，根据实际工作要求，设置波导传输功率，仿真获得电磁场分布特性，根据传输功率大小选择周期性金属凸体阵列中金属凸体的数量，以保证合适的电磁场屏蔽特性；
(6)仿真获得插损及驻波结果，微调仿真模型尺寸参数值，使得在所需的波导工作带宽内，驻波和插入损耗性能均满足要求。
单个金属凸体的仿真模型包括单个金属凸体本身结构尺寸、构成周期性阵列的排列规则信息以及金属凸体与扩大腔体结构内表面间空气间隙。
一种无法兰波导连接结构设计方法，法兰波导连接结构包括阳连接部和阴连接部，具体步骤如下：
(1)在阴连接部的末端设置扩大腔体结构，在阳连接部的末端外壁四周表面设置周期性金属凸体阵列，设置方法为：
(a)建立周期性金属凸体阵列中单个金属凸体的仿真模型，设置仿真模型尺寸参数初值，设置周期性边界条件及设置本征求解模式；
(b)进行机械加工容差性能分析：根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式获得周期性金属凸体阵列的电磁禁带特性，调整仿真模型尺寸参数初值，使在所设定的实际空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖所需的波导工作带宽，获得仿真模型尺寸参数值；
(c)根据获得的仿真模型尺寸参数值，建立无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构内表面间的空气间隙设定为典型值；
(d)进行装配容差性能分析：根据实际装配误差，设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距，仿真获得无法兰波导连接的插入损耗及驻波性能，根据所需的插入损耗及驻波性能要求，获得装配容差范围；
(e)设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距为装配容差的最大值，根据实际工作要求，设置波导传输功率，仿真获得电磁场分布特性，根据传输功率大小选择周期性金属凸体阵列中金属凸体的数量，以保证合适的电磁场屏蔽特性；
(f)仿真获得插损及驻波结果，微调仿真模型尺寸参数值，使得在所需的波导工作带宽内，驻波和插入损耗性能均满足要求；
(2)将阳连接部的带有周期性金属凸体阵列的一端插入阴连接部的扩大腔体结构中，形成无法兰波导连接结构整体。
上述方法中，单个金属凸体的仿真模型包括单个金属凸体本身结构尺寸、构成周期性阵列的排列规则信息以及金属凸体与扩大腔体结构内表面间空气间隙。
本发明有益效果：
(1)本发明通过在波导插拔连接的阳连接部构造周期性金属凸体阵列结构，配合阴连接部相应的扩大腔体，形成插拔式连接结构，代替传统法兰连接，所增加的周期性结构尺寸远小于传统法兰面尺寸，有效降低了传统波导法兰连接的体积和重量；
(2)本发明相比现有技术，插拔接触表面间通过特定设计的周期性金属凸体阵列结构，获得合适的电磁禁带特性，有效避免了电磁泄露，在可以实现波导间快速、灵活的插拔式连接同时，保证了可靠的电磁传输性能；
(3)本发明在所允许的实际空气间隙范围内，电磁禁带均可覆盖所需的波导工作带宽，具有较宽的工作带宽及良好的装配容差性能。
附图说明
图1为本发明无法兰波导连接结构整体结构示意图；
图2为本发明阳连接部示意图；
图3为本发明阴连接部示意图；
图4为本发明无法兰波导连接结构整体结构截面示意图；
图5为本发明单个金属凸体的仿真模型示意图；
图6为本发明实施例中周期性金属凸体阵列的色散特性仿真曲线；
图7为本发明实施例中无法兰波导的S参数仿真结果图；
图8为依据本发明实施例中实测驻波及插入损耗性能图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1-图4所示，一种无法兰波导连接结构，实现矩形波导之间的无法兰连接，包括阳连接部1和阴连接部2，其中：阳连接部1包括第一波导11和周期性金属凸体阵列12，其中周期性金属凸体阵列12设置于第一波导11的末端外壁四周表面。阴连接部2包括第二波导21和扩大腔体结构22，其中扩大腔体结构设置于第二波导21的末端。阳连接部1带有周期性金属凸体阵列12的一端插入阴连接部2的扩大腔体结构22中，形成无法兰波导连接结构整体。
周期性金属凸体阵列12由若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列于第一波导11末端的上下左右四周外表面所构成。
周期性金属凸体阵列12中的金属凸体为立方体、圆柱体、正方体等规则结构，同一平面内金属凸体高度及结构形式保持一致。
扩大腔体结构22的内腔宽高尺寸设计值等于阳连接部1带有周期性金属凸体阵列12部分的外轮廓宽高尺寸值，实际加工时连接部位做公差处理，扩大腔体结构22的内腔宽高尺寸值大于周期性金属凸体阵列12的外轮廓宽高尺寸值2-100微米，保证阳连接部1插入阴连接部2时形成紧连接。
扩大腔体结构22的内腔深度大于等于周期性金属凸体阵列12沿波导方向的纵向长度。
根据实际工作振动等环境和结构紧固要求，设置机械连接结构3，机械连接结构3可任意设置于阳连接部1和阴连接部2的合适位置，防止阳连接部1和阴连接部2之间连接不可靠，机械连接结构的位置、结构形式、数量等无限定。
周期性金属凸体阵列12的设置方法可通过以下步骤获得：
(1)在电磁仿真程序中建立周期性金属凸体阵列12中单个金属凸体单元的仿真模型，模型包括单个金属凸体本身结构尺寸以及其构成周期性阵列的排列规则信息，设置尺寸参数初值，尺寸参数包括每个金属凸体的尺寸、相邻金属凸体的间距、金属凸体与扩大腔体结构22内表面间由于公差及机械加工误差造成的空气间隙，设置周期性边界条件，周期性边界条件根据周期性结构的排列规则设定，包括单个金属凸体单元的电磁场边界条件和其周期性分布规则。设置本征求解模式，具体按照已知的固定的方法进行即可。
(2)进行机械加工容差性能分析。根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构22内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式，获得周期性金属凸体阵列12的电磁禁带特性。电磁禁带是对单个金属凸体单元，在周期性边界条件下，由本征模式求解出的色散特性曲线所获得。对尺寸参数初值进行调整，调整各尺寸参数值，包括单个金属凸体尺寸、相邻金属凸体间距，保证在所设定的空气间隙范围内，电磁禁带均可以覆盖所需的波导工作带宽，获得各尺寸参数值。
(3)根据获得的尺寸参数值，在电磁仿真程序中建立无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构22内表面间的空气间隙设定为典型值，典型值为典型的机械加工公差及误差，由相应的机械加工方提供，包含在设定空气间隙范围内。
(4)进行装配容差性能分析，根据实际装配误差情况，设定阳连接部1与阴连接部2的波导输出端口间距取值范围，理想情况下阳连接部和阴连接部的波导输出端口间距为0，为完全连接状态，但由于装配误差存在，实际中两部分的波导输出端口会有微小的间距，间距的范围即根据实际装配误差确定，仿真获得无法兰波导连接的插入损耗及驻波特性，根据所需的插入损耗及驻波性能要求，获得装配容差范围，装配误差增大时，插入损耗和驻波性能会相应变差，具体允许的装配误差范围根据实际要求的插入损耗和驻波性能指标来确定。
(5)设定阳连接部1与阴连接部2的波导输出端口间距为装配容差的最大值，根据波导的实际工作要求，设置波导传输功率，仿真获得电磁场分布特性，根据传输功率大小选择周期性金属凸体阵列12中金属凸体的数量，以保证合适的电磁场屏蔽特性。
(6)仿真获得插损及驻波结果，微调整各尺寸参数，使得在所需的波导工作带宽内，驻波和插入损耗性能均满足要求。
实施例
以实现Ku频段BJ120(WR75)波导(工作带宽9.84GHz～15GHz)的无法兰连接为例，说明本发明的具体实施过程：
(1)在电磁仿真程序中建立周期性金属凸体阵列12中单个金属凸体的仿真模型，如图5所述，周期性金属凸体阵列12中每个金属凸体的高度为hp、宽度为w、厚度为t；相邻金属凸体的横向间距为g1、纵向间距为g2，金属凸体与扩大腔体结构22内表面间由于公差及机械加工误差造成的空气间隙为ha，设置尺寸参数初值，设置周期性边界条件，设置本征求解模式。
(2)根据实际公差和机加误差情况，设定空气间隙ha取值范围为0.01mm～0.04mm。根据具体波导外形尺寸，设置并调整各尺寸参数，在所设定的空气间隙范围内获得合适的电磁禁带特性。如图6所示，当hp＝1.5mm；w＝g1＝2.6mm；t＝g2＝2mm时，在所设定的空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖BJ120波导的工作带宽，满足要求。
(3)根据获得的尺寸参数值，在电磁仿真程序中建立无法兰波导连接的整体仿真模型，空气间隙设定为典型值0.03mm，初步选择3排周期性金属凸体。
(4)根据实际装配误差情况，设定阳连接部1与阴连接部2的波导输出端口间距d取值范围为0～0.5mm，仿真获得S参数，如图7所示。
(5)设定阳连接部1与阴连接部2的波导输出端口间距d为装配容差的最大值0.5mm，设置传输功率为100W，仿真获得电磁场分布特性，采用3排周期性凸体时可以获得所需的电磁场屏蔽性能。实际中可根据具体要求增加或减少周期性凸体的数量。
(6)根据实际情况微调尺寸参数，仿真获得满足的驻波和插入损耗特性。
本发明可应用于各种微波波导部件及系统中，实现快速、灵活的插拔式波导连接，同时有效减小了传统法兰连接的体积重量，且具有良好的机械加工及装配容差性能，在微波技术领域具有广泛的应用价值。
本发明方法通过设计实现Ku频段BJ120(WR75)波导(工作带宽9.84GHz～15GHz)的无法兰连接，实现了验证。实测结果获得了良好的插入损耗和驻波性能，如图8所示。本发明所提无法兰波导连接结构相比传统波导法兰，体积大幅缩小，更加有利于结构布局，且插拔式设计可以实现更加方便灵活的装配。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种无法兰波导连接结构，实现矩形波导之间的无法兰连接，其特征在于，包括阳连接部(1)和阴连接部(2)，阳连接部(1)包括第一波导(11)和周期性金属凸体阵列(12)，其中周期性金属凸体阵列(12)设置于第一波导(11)的末端外壁四周表面，若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列；
阴连接部(2)包括第二波导(21)和扩大腔体结构(22)，其中扩大腔体结构(22)设置于第二波导(21)的末端，阳连接部(1)的带有周期性金属凸体阵列(12)的一端插入阴连接部(2)的扩大腔体结构(22)中，形成无法兰波导连接结构整体；在金属凸体与扩大腔体结构(22)内表面间满足一定空气间隙范围内，周期性金属凸体阵列(12)与扩大腔体结构(22)内表面共同组成电磁带隙结构，电磁带隙结构的电磁禁带完全覆盖所需的波导工作带宽。
2.根据权利要求1所述的一种无法兰波导连接结构，其特征在于：周期性周期性金属凸体阵列(12)中的金属凸体形状为立方体、圆柱体或正方体。
3.根据权利要求1所述的一种无法兰波导连接结构，其特征在于：第一波导(11)的末端外壁的同一平面内，金属凸体高度及结构形式保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种无法兰波导连接结构，其特征在于：扩大腔体结构(22)的内腔宽高尺寸值大于周期性金属凸体阵列(12)的外轮廓宽高尺寸值2-100微米，使阳连接部(1)插入阴连接部(2)时形成紧连接。
5.根据权利要求1所述的一种无法兰波导连接结构，其特征在于：扩大腔体结构(22)的内腔深度不小于周期性金属凸体阵列(12)沿波导方向的纵向长度。
6.根据权利要求1所述的一种无法兰波导连接结构，其特征在于：还包括机械连接结构(3)，用于固定连接阳连接部(1)和阴连接部(2)。
7.根据权利要求1所述的一种无法兰波导连接结构，其特征在于：周期性金属凸体阵列(12)的设置方法为：
(1)建立周期性金属凸体阵列中单个金属凸体的仿真模型，设置仿真模型尺寸参数初值，设置周期性边界条件及设置本征求解模式；
(2)进行机械加工容差性能分析：根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式获得周期性金属凸体阵列的电磁禁带特性，调整仿真模型尺寸参数初值，使在所设定的实际空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖所需的波导工作带宽，获得仿真模型尺寸参数值；
(3)根据获得的仿真模型尺寸参数值，建立无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构内表面间的空气间隙设定为典型值；
(4)进行装配容差性能分析：根据实际装配误差，设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距，仿真获得无法兰波导连接的插入损耗及驻波性能，根据所需的插入损耗及驻波性能要求，获得装配容差范围；
(5)设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距为装配容差的最大值，根据实际工作要求，设置波导传输功率，仿真获得电磁场分布特性，根据传输功率大小选择周期性金属凸体阵列中金属凸体的数量，以保证合适的电磁场屏蔽特性；
(6)仿真获得插损及驻波结果，微调仿真模型尺寸参数值，使得在所需的波导工作带宽内，驻波和插入损耗性能均满足要求。
8.根据权利要求7所述的一种无法兰波导连接结构，其特征在于：单个金属凸体的仿真模型包括单个金属凸体本身结构尺寸、构成周期性阵列的排列规则信息以及金属凸体与扩大腔体结构(22)内表面间空气间隙。
9.一种无法兰波导连接结构设计方法，无法兰波导连接结构包括阳连接部和阴连接部，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在阴连接部的末端设置扩大腔体结构，在阳连接部的末端外壁四周表面设置周期性金属凸体阵列，设置方法为：
(a)建立周期性金属凸体阵列中单个金属凸体的仿真模型，设置仿真模型尺寸参数初值，设置周期性边界条件及设置本征求解模式；
(b)进行机械加工容差性能分析：根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式获得周期性金属凸体阵列的电磁禁带特性，调整仿真模型尺寸参数初值，使在所设定的实际空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖所需的波导工作带宽，获得仿真模型尺寸参数值；
(c)根据获得的仿真模型尺寸参数值，建立无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构内表面间的空气间隙设定为典型值；
(d)进行装配容差性能分析：根据实际装配误差，设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距，仿真获得无法兰波导连接的插入损耗及驻波性能，根据所需的插入损耗及驻波性能要求，获得装配容差范围；
(e)设定阳连接部与阴连接部的波导输出端口间距为装配容差的最大值，根据实际工作要求，设置波导传输功率，仿真获得电磁场分布特性，根据传输功率大小选择周期性金属凸体阵列中金属凸体的数量，以保证合适的电磁场屏蔽特性；
(f)仿真获得插损及驻波结果，微调仿真模型尺寸参数值，使得在所需的波导工作带宽内，驻波和插入损耗性能均满足要求；
(2)将阳连接部的带有周期性金属凸体阵列的一端插入阴连接部的扩大腔体结构中，形成无法兰波导连接结构整体。
10.根据权利要求9所述的一种无法兰波导连接结构设计方法，其特征在于：单个金属凸体的仿真模型包括单个金属凸体本身结构尺寸、构成周期性阵列的排列规则信息以及金属凸体与扩大腔体结构内表面间空气间隙。
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