CN110707433B - 一种高功率容量开槽圆波导圆极化器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率容量开槽圆波导圆极化器及其加工方法，涉及微波极化转换技术领域，该圆极化器克服了由于介质引发三相点的出现和突变结构造成的功率容量限制，且加工精度要求更低，同时采用过模圆波导，具有高功率容量性能；补偿槽采用渐变形槽结构，抑制了高阶模的产生，同时采用过模圆波导，避免了可用带宽限制，具有良好的轴比和宽频带性能，实现了高功率圆极化器的宽频带和小型化性能。该圆极化器加工方法中，电火花线切割是利用电能加工的非接触加工方式，对被加工材料的热影响较小，加工工艺与尺寸精度及形位公差较低；通过焊接车铣结合的方法能够使圆极化器同时实现电密封和气密封，满足高功率微波应用的抽真空需求。
Description
技术领域
本发明涉及微波极化转换技术领域，具体而言，涉及一种高功率容量开槽圆波导圆极化器及其加工方法。
背景技术
在微波辐射系统和反射天线系统中，经常需要利用圆极化器将常规的线极化微波源信号转换为圆极化信号，再通过天线将圆极化信号辐射出去。圆极化器的结构形式直接决定了辐射系统的功率容量、尺寸和带宽等性能，目前的圆极化器主要包括螺钉圆极化器、虹膜圆极化器、金属阶梯隔板圆极化器、介质隔板圆极化器以及开矩形槽圆波导圆极化器。
螺钉圆极化器和虹膜圆极化器，利用螺钉或虹膜对于与其平行和垂直的电场分别等效为并联的容性电纳和感性电纳，使对应的电场相位滞后和超前，实现圆极化波的转换；金属阶梯隔板圆极化器，将阶梯隔板的每一段视为一段脊波导，调整阶梯隔板的宽度和长度对应调整两正交方向电磁波的传播常数，实现双圆极化的转换，该圆极化器在真空中的功率容量为53.8MW，1.5dB轴比带宽为16％。以上三类圆极化器，由于均插入了小尺寸突变结构，易引起局部场强集中，导致功率容量有限，不能满足GW级高功率容量微波的应用；另外，圆极化器的性能对金属螺钉、虹膜和阶梯隔板的加工精度要求较高。
介质隔板圆极化器，利用垂直和平行于介质隔板方向的等效介电常数不同，调整介质板的结构和长度，来实现圆极化转换。插入介质隔板结构不可避免引入三相点，在高功率微波领域使用时易出现射频击穿，同样不适用于高功率微波领域。此外，介质隔板在实际应用中较难准确的插入到波导内部对应的位置。
开矩形槽圆波导圆极化器是通过在圆波导内部开矩形槽结构，实现圆极化转换。但是，由于矩形槽具有突变结构，将其用于具有高功率容量的过模圆波导内易激发高阶模，影响圆极化器的轴比和带宽等性能。同时，由于采用基模圆波导，限制了圆波导的半径尺寸，因此其功率容量相对较小。
目前可用于高功率微波的圆极化器为椭圆波导圆极化器[张治强，方进勇，李佳伟等.X波段高功率微波TE11模圆极化器[J].强激光与粒子束,2011,23(07):1909-1912.]，利用圆波导到椭圆波导的过渡段将输入的线极化TE11模分成两个等幅、正交的TE11模，两正交分量在椭圆波导内的传输系数不同，通过调整椭圆波导长度，实现了圆极化的转换。由于采用纯金属过模圆波导结构，该圆极化器具有高功率容量性能。但是，由于圆波导到椭圆波导的过渡段长度决定了其反射系数和是否出现高阶模，两正交方向的传播常数之差与椭圆波导的长短轴之比呈现正相关关系，这就需要较大的总长度来实现90°的相位差和低反射系数，所报道的X波段椭圆波导圆极化器长度超过300mm。
随着微波技术的发展，携带高功率微波的圆极化系统日渐增多，要求圆极化器具有高功率容量、宽频带的性能，同时还需要紧凑化设计来节约系统空间、减少对微波的遮挡等。因此，目前尚没有能够同时满足高功率容量、小型化和宽频带性能的圆极化器。
发明内容
本发明在于提供一种高功率容量开槽圆波导圆极化器及其加工方法，其能够缓解上述问题。
为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种高功率容量开槽圆波导圆极化器，包括圆波导，所述圆波导为过模圆波导；在圆波导的内壁设置有补偿槽，所述补偿槽沿所述圆波导的长度方向开设，且为渐变形槽，其包括一弧形槽面、分别与弧形槽面两弧形边衔接的两平槽面，所述弧形槽面与所述圆波导的内壁衔接部为倒角结构。
本技术方案的技术效果是：与现有圆极化器相比，整个圆极化器内不存在介质及金属螺钉、虹膜或阶梯膜片等小尺寸突变结构，克服了由于介质引发三相点的出现和突变结构造成的功率容量限制，且加工精度要求更低，同时采用过模圆波导，具有高功率容量性能；与已有高功率圆极化器相比，补偿槽采用渐变形槽结构，抑制了高阶模的产生，同时采用过模圆波导，避免了可用带宽限制，具有良好的轴比和宽频带性能，实现了高功率圆极化器的宽频带和小型化性能。
可选地，所述弧形槽面为椭圆弧形或正圆弧形的渐变形槽。
本技术方案的技术效果是：椭圆弧形和正圆弧形的渐变形槽的反射较低，传输效率高，均较易加工且对加工精度要求较低。
可选地，所述补偿槽有两个，两个所述补偿槽相对所述圆波导的中轴线对称布置。
可选地，所述补偿槽为偶数个，且有四个以上，所述补偿槽相对所述圆波导的中轴线对称分布。
可选地，所述补偿槽有且仅为一个。
可选地，所述补偿槽有两个以上，各补偿槽布置于同一直线上，各补偿槽沿所述圆波导的长度方向依次分布。
第二方面，本发明提供了一种高功率容量开槽圆波导圆极化器的加工方法，包括以下步骤：
S1、以长为L的金属柱为原材料，将其车削加工成内直径为D的筒状圆波导；
S2、采用电火花线切割机将圆波导沿轴向中线位置切开，使其均分为两个瓦型对称件；
S3、采用数控铣床，分别在两个瓦型对称件内壁铣削出补偿槽；
S4、将两个瓦型对称件焊接在一起并重新构成筒状圆波导；
S5、利用抛光设备对圆波导的外壁进行抛光处理。
本技术方案的技术效果是：电火花线切割是利用电能加工的非接触加工方式，由于脉冲放电持续时间较短，对被加工材料的热影响较小，加工工艺与尺寸精度及形位公差较低；通过焊接车铣结合的方法能够使圆极化器同时实现电密封和气密封，满足高功率微波应用的抽真空需求。
可选地，所述圆波导的长度L为91mm，内直径D为27mm。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是实施例中所述高功率容量开槽圆波导圆极化器的立体结构示意图；
图2是实施例中所述高功率容量开槽圆波导圆极化器的轴向剖视示意图；
图3是实施例中所述高功率容量开槽圆波导圆极化器的径向剖视示意图；
图4是实施例中所述高功率容量开槽圆波导圆极化器的数值模拟主要结果图，其中图4(a)为不同频率下的散射系数曲线图，图4(b)为不同频率下两正交分量的相位差曲线图，图4(c)不同频率下的轴比曲线图，图4(d)为圆极化器的场强分布图；
图5是实施例中高功率容量开槽圆波导圆极化器内部模式变化过程图；
图6是实施例中高功率容量开槽圆波导圆极化器的补偿槽设计为六个时的轴向剖视示意图；
图7是实施例中高功率容量开槽圆波导圆极化器的补偿槽设计为一个时的轴向剖视示意图；
图8是实施例中高功率容量开槽圆波导圆极化器的补偿槽设计为三个时的轴向剖视示意图；
图中：1-圆波导，2-补偿槽，21-弧形槽面，22-平槽面，23-平槽面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参照图1～图3，本实施例提供了一种高功率容量开槽圆波导圆极化器，包括圆波导1，其为过模圆波导；在圆波导1的内壁设置有两个补偿槽2，两个补偿槽2相对圆波导1的中轴线对称布置；补偿槽2沿圆波导1的长度方向开设，且为渐变形槽，与采用突变形槽相比，在过模圆波导中采用渐变形槽结构可避免激励高阶模，提升圆极化器的轴比性能。补偿槽2包括一弧形槽面21、分别与弧形槽面两弧形边衔接的两平槽面 22、23，弧形槽面21与圆波导1的内壁衔接部为倒角结构，倒角结构的设计使其具有高功率容量特征。
本实施例所述高功率容量开槽圆波导圆极化器的加工方法，包括以下步骤：
S1、以长为L的金属柱为原材料，将其车削加工成内直径为D的筒状圆波导；
S2、采用电火花线切割机将圆波导沿轴向中线位置切开，使其均分为两个瓦型对称件；
S3、采用数控铣床，分别在两个瓦型对称件内壁铣削出补偿槽；
S4、将两个瓦型对称件焊接在一起并重新构成筒状圆波导；
S5、利用抛光设备对圆波导的外壁进行抛光处理。
弧形槽面可以为椭圆弧形或正圆弧形的渐变形槽，在本实施例中，选择了椭圆形渐变形槽。
在本实施例中，圆波导由金属材料制成，金属结构的电场击穿阈值较高，对应的功率容量较高，适用于高功率微波领域。
在本实施例中，设计的X频段开双侧椭圆弧形槽圆波导圆极化模型如图1～图3所示，其主要尺寸参数为：波导直径D为27mm，圆极化器总长L为91mm，椭圆弧形渐变形槽的长半轴长a为40mm，短半轴长b为20mm，槽宽c为13.5mm。
本实施例所述高功率容量开槽圆波导圆极化器的使用方法是：在圆波导的A端口输入与槽方向呈+45°角的TE11模线极化波Ei，经过补偿槽，在另一端，即B端口输出右旋圆极化波。
在本实施例中，得到的数值模拟结果如下：
不同频率下散射系数如图4(a)所示，两正交分量的传输系数均为-3dB，反射系数低于-24.3dB，且波导内部不存在高阶模式；不同频率下两正交分量的相位差结果如图4(b)所示，在8.4～12.4GHz范围内，两个分量的相位差在90°±20°的范围内，对应的轴比结果如图4(c)所示，轴比小于3dB，相对带宽为38.5％。以上结果表明该圆极化器具有宽频带、低损耗的性能；
在本实施例中，在中心频率为10.4GHz，输入功率为0.5W时，圆极化器的电场分布如图4(d)所示，最大电场强度为1425V/m，出现在与入射电场Ei极化方向相同的槽侧边上。通常圆极化器在抽真空条件的高功率系统中应用，按场强击穿阈值为80 MV/m计算，得到圆极化器的功率容量约为1.53GW，验证了该圆极化器可应用于高功率微波极化转换技术领域。
在本实施例中，整个圆极化器内部的模式转换过程如图5所示，输入与槽方向呈+45°角的TE11模线极化波Ei对应的Ex和Ey方向的两TE11模分量始终保持为偶模式，由于双侧椭圆弧槽具有渐变结构，有效地抑制了高阶模的产生，在B端口处能够完全转换为偶模式TE11模。
除了上述实施例外，补偿槽2还可以其它数量以及其它分布方式呈现，举例如下：
补偿槽2可以为偶数个，且有四个以上，补偿槽2相对圆波导1的中轴线对称分布，比如，图6中所示补偿槽2的数量为六个，为双侧布槽方式。
补偿槽2可以仅设计一个，如图7所示，其为单侧布槽方式。
补偿槽2可以有两个以上，且各补偿槽2布置于同一直线上，各补偿槽2沿圆波导 1的长度方向依次分布，比如，图8中所示补偿槽2的数量为三个，为单侧布槽方式。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高功率容量开槽圆波导圆极化器，包括圆波导，其特征在于，
所述圆波导为过模圆波导；在圆波导的内壁设置有补偿槽，所述补偿槽沿所述圆波导的长度方向开设，且为渐变形槽，其包括一弧形槽面、分别与弧形槽面两弧形边衔接的两平槽面，所述弧形槽面与所述圆波导的内壁衔接部为倒角结构；
所述圆波导的外壁,与所述补偿槽相对的部位为外凸结构,该部位包括一外弧面、两平面，其外弧面与弧形槽面相对设置且弧度相同，其两平面分别与两平槽面相对设置。
2.根据权利要求1所述的高功率容量开槽圆波导圆极化器，其特征在于，所述弧形槽面为椭圆弧形或正圆弧形的渐变形槽。
3.根据权利要求2所述的高功率容量开槽圆波导圆极化器，其特征在于，所述补偿槽有两个，两个所述补偿槽相对所述圆波导的中轴线对称布置。
4.根据权利要求3所述的高功率容量开槽圆波导圆极化器，其特征在于，所述圆波导的长度L为91mm，内直径D为27mm。
5.根据权利要求2所述的高功率容量开槽圆波导圆极化器，其特征在于，所述补偿槽为偶数个，且有四个以上，所述补偿槽相对所述圆波导的中轴线对称分布。
6.根据权利要求2所述的高功率容量开槽圆波导圆极化器，其特征在于，所述补偿槽有且仅为一个。
7.根据权利要求2所述的高功率容量开槽圆波导圆极化器，其特征在于，所述补偿槽有两个以上，各补偿槽布置于同一直线上，各补偿槽沿所述圆波导的长度方向依次分布。
8.一种高功率容量开槽圆波导圆极化器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以长为L的金属柱为原材料，将其车削加工成内直径为D的筒状圆波导；
S2、采用电火花线切割机将圆波导沿轴向中线位置切开，使其均分为两个瓦型对称件；
S3、采用数控铣床，分别在两个瓦型对称件内壁铣削出补偿槽；
S4、将两个瓦型对称件焊接在一起并重新构成筒状圆波导；
S5、利用抛光设备对圆波导的外壁进行抛光处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20200717 |