CN113948836B - 一种同轴微波移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴微波移相器，包括：第一连接结构、可变长度硬同轴线和第二连接结构；所述可变长度硬同轴线包括可伸缩段硬同轴线和固定段硬同轴线；所述可伸缩段硬同轴线的一端和固定段硬同轴线的一端活动连接；所述第一连接结构与可伸缩段硬同轴线的另一端固定连接；所述第二连接结构与固定段硬同轴线的另一端固定连接。本发明设计了可变长度硬同轴线，通过其长度调节，实现微波的移相，而第一连接结构和第二连接结构用于适配本发明应用场景的前后级电路；本发明的适用频率、衰减系数和功率容量均可通过可变长度硬同轴线的尺寸调整而调节，兼容性和适用性强，尤其解决了现有移相器不能完全适配医用电子直线加速器的AFC系统的问题。

Description

一种同轴微波移相器
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种同轴微波移相器。
背景技术
移相器又称相位调节器，是微波技术领域中必不可少的器件。该器件可以广泛应用于雷达系统、微波通信系统和微波电路中。
移相器同时也是医用电子直线加速器的自动频率控制系统(AFC，AutomaticFrequency Control)中必不可少的器件。医用电子直线加速器是利用加速管中处于谐振状态的电场将电子进行加速的装置。为了使电场处于谐振状态，需要使用移相器参与AFC系统的频率闭环反馈控制。由于医用电子直线加速器的AFC系统中的各个微波元件通常采用同轴结构，因此所需的移相器也必须为同轴结构；同时医用电子直线加速器的AFC系统也对移相器提出了频带范围、插入损耗、电压驻波比、器件长度等指标要求。目前，市面上虽然已存在各式各样的移相器，却无相关技术能够完全符合医用电子直线加速器的AFC系统所提出的条件。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种同轴微波移相器解决了现有移相器不能完全适配医用电子直线加速器的AFC系统的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种同轴微波移相器，包括：第一连接结构、可变长度硬同轴线和第二连接结构；
所述可变长度硬同轴线包括可伸缩段硬同轴线和固定段硬同轴线；所述可伸缩段硬同轴线的一端和固定段硬同轴线的一端活动连接；
所述第一连接结构与可伸缩段硬同轴线的另一端固定连接；
所述第二连接结构与固定段硬同轴线的另一端固定连接。
本发明的有益效果为：在电磁学理论中，微波的相移与传输线的传输距离有关，本发明设计了可变长度硬同轴线，通过其长度调节，实现微波的移相，而第一连接结构和第二连接结构用于适配本发明应用场景的前后级电路；本发明的适用频率、衰减系数和功率容量均可通过可变长度硬同轴线的尺寸调整而调节，兼容性和适用性强，尤其解决了现有移相器不能完全适配医用电子直线加速器的AFC系统的问题。
进一步地，所述可伸缩段硬同轴线包括可伸缩段外导体和位于可伸缩段外导体内的可伸缩段内导体；
所述固定段硬同轴线包括固定段外导体和位于固定段外导体内的固定段内导体；
所述可伸缩段外导体的一端伸入固定段外导体，并在端部设有固定连接的梳状短路器；所述梳状短路器与固定段外导体的内壁活动连接；
所述可伸缩段内导体的一端伸入固定段内导体，其外壁与固定段内导体的内壁活动连接。
进一步地，所述固定段外导体内设有第一绝缘环；所述第一绝缘环的外表面贴合固定段外导体的内壁，其内表面贴合固定段内导体的外壁；
所述可伸缩段外导体内设有第二绝缘环；所述第二绝缘环的外表面贴合可伸缩段外导体的内壁，其内表面贴合固定段内导体的外壁；
所述可伸缩段外导体的外壁上设有贴合的限位卡圈；所述限位卡圈朝向固定段外导体的一端外径加粗，并经过铣边处理，其抵靠固定段外导体的端壁；
所述限位卡圈外设有锁帽；所述锁帽的一端内径加粗，并与限位卡圈的外壁贴合；所述锁帽另一端的内壁设有卡扣，其扣接在固定段外导体端部外壁上与其吻合的凹槽处。
上述进一步方案的有益效果为：限位卡圈、锁帽、第一绝缘环和第二绝缘环的上述连接关系，稳固了固定段和可伸缩段内外导体的空间结构，使两外导体间仅通过梳状断路器电接触，使两内导体通过活动连接实现电接触，而内外导体之间空气填充且不发生短路风险，安全稳定地实现了可变长度硬同轴线。
进一步地，所述第一连接结构包括：伸缩套筒、第三绝缘环、内导体铜芯和N型连接头；
所述伸缩套筒的内表面与可伸缩段外导体端部的外壁固定连接；
所述第三绝缘环伸入伸缩套筒，其外表面与伸缩套筒的内表面固定连接，其一端抵靠可伸缩段外导体的端壁；
所述内导体铜芯穿过第三绝缘环，并分别与N型连接头的内芯和可伸缩段内导体固定连接；
所述N型连接头与伸缩套筒固定连接。
上述进一步方案的有益效果为：上述连接关系不仅设计了适配本发明应用场景的前级电路连接端子，同时稳固了可伸缩段外导体和可伸缩段内导体的相对位置。
进一步地，所述第二连接结构包括：第四绝缘环、内导体套探针和N型连接器；
所述第四绝缘环设置于固定段外导体的端部内，其外表面与固定段外导体的内壁固定连接；
所述固定段内导体在第一绝缘环和第四绝缘环之间处的外壁上设有内导体套；
所述第四绝缘环的一端与设有内导体套的固定段内导体的端部接触；
所述内导体套探针穿过第四绝缘环，并分别与N型连接器的内芯和固定段内导体固定连接；
所述N型连接器与固定段外导体固定连接。
上述进一步方案的有益效果为：上述连接关系不仅设计了适配本发明应用场景的后级电路连接端子，同时稳固了固定段外导体和固定段内导体的相对位置。
进一步地，所述可伸缩段外导体的外径为7.4mm，其内径为6.95mm。
进一步地，所述固定段外导体的内径为11.2mm。
进一步地，所述可伸缩段内导体的直为4.25mm。
进一步地，所述固定段内导体的内径为4.5mm。
上述进一步方案的有益效果为：上述尺寸根据电磁场电磁波的传输线理论推算得来，可兼顾阻抗匹配、工作频带、衰减系数和功率容量的性能。
附图说明
图1为本发明实施例的一种同轴微波移相器结构图；
图2为本发明实施例的同轴微波移相器第一局部放大图；
图3为本发明实施例的同轴微波移相器第二局部放大图；
图4为本发明实施例的同轴微波移相器第三局部放大图；
图5为本发明实施例的同轴微波移相器外观示意图；
其中附图标记为：1、可伸缩段外导体；2、可伸缩段内导体；3、梳状短路器；4、固定段外导体；5、固定段内导体；6、内导体套；7、第一绝缘环；8、第二绝缘环；9、限位卡圈；10、锁帽；11、伸缩套筒；12、第三绝缘环；13、内导体铜芯；14、N型连接头；15、第四绝缘环；16、内导体套探针；17、N型连接器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，在本发明的一个实施例中，一种同轴微波移相器，包括：第一连接结构、可变长度硬同轴线和第二连接结构；
可变长度硬同轴线包括可伸缩段硬同轴线和固定段硬同轴线；可伸缩段硬同轴线的一端和固定段硬同轴线的一端活动连接；第一连接结构与可伸缩段硬同轴线的另一端固定连接；第二连接结构与固定段硬同轴线的另一端固定连接。
可伸缩段硬同轴线包括可伸缩段外导体1和可伸缩段内导体2；可伸缩段外导体1为空心圆柱体；可伸缩段内导体2位于可伸段外导体1内；
固定段硬同轴线包括固定段外导体4和固定段内导体5；固定段外导体4和固定段内导体5均为空心圆柱体，固定段内导体5位于固定段外导体4内。
可伸缩段外导体1的一端伸入固定段外导体4，并在端部设有固定连接的梳状短路器3；梳状短路器3与固定段外导体4的内壁活动连接；
固定段外导体4内设有第一绝缘环7；第一绝缘环7的外表面贴合固定段外导体4的内壁，其内表面贴合固定段内导体5的外壁；
可伸缩段外导体1内设有第二绝缘环8；第二绝缘环8的外表面贴合可伸缩段外导体1的内壁，其内表面贴合固定段内导体5的外壁；
可伸缩段内导体2的一端伸入固定段内导体5，其外壁与固定段内导体5的内壁活动连接；
可伸缩段外导体1的外壁上设有贴合的限位卡圈9；限位卡圈9朝向固定段外导体4的一端外径加粗，并经过铣边处理，其抵靠固定段外导体4的端壁；
限位卡圈9外设有锁帽10；锁帽10的一端内径加粗，并与限位卡圈9的外壁贴合；锁帽10另一端的内壁设有卡扣，其扣接在固定段外导体4端部外壁上与其吻合的凹槽处。
限位卡圈9、锁帽10、第一绝缘环7和第二绝缘环8的上述连接关系，稳固了固定段和可伸缩段内外导体的空间结构，使两外导体间仅通过梳状断路器3电接触，使两内导体通过活动连接实现电接触，而内外导体之间空气填充且不发生短路风险，安全稳定地实现了可变长度硬同轴线。
第一连接结构包括：伸缩套筒11、第三绝缘环12、内导体铜芯13和N型连接头14；
伸缩套筒11的内表面与可伸缩段外导体1端部的外壁固定连接；
第三绝缘环12伸入伸缩套筒11，其外表面与伸缩套筒11的内表面固定连接，其一端抵靠可伸缩段外导体1的端壁；
内导体铜芯13穿过第三绝缘环12，并分别与N型连接头14的内芯和可伸缩段内导体2固定连接；
N型连接头14与伸缩套筒11固定连接。
上述连接关系不仅设计了适配本发明应用场景的前级电路连接端子，同时稳固了可伸缩段外导体1和可伸缩段内导体2的相对位置。
第二连接结构包括：第四绝缘环15、内导体套探针16和N型连接器17；
第四绝缘环15设置于固定段外导体4的端部内，其外表面与固定段外导体4的内壁固定连接；
固定段内导体5在第一绝缘环7和第四绝缘环15之间处的外壁上设有内导体套6；
第四绝缘环15的一端与设有内导体套6的固定段内导体5的端部接触；
内导体套探针16穿过第四绝缘环15，并分别与N型连接器的内芯和固定段内导体5固定连接；
N型连接器17与固定段外导体4固定连接。
上述连接关系不仅设计了适配本发明应用场景的后级电路连接端子，同时稳固了固定段外导体4和固定段内导体5的相对位置。
可伸缩段外导体1的外径为7.4mm，其内径为6.95mm。
固定段外导体4的内径为11.2mm。
可伸缩段内导体2的直为4.25mm。
固定段内导体5的内径为4.5mm。
上述尺寸根据电磁场电磁波的传输线理论推算得来，可兼顾阻抗匹配、工作频带、衰减系数和功率容量的性能。
在电磁场电池波的传输线理论中，常用的微波传输线(矩形波导、圆波导和同轴线)中只有同轴线中的主模是TEM模，即交变磁场和电场垂直于电磁波的传播方向。在行波状态下，负载阻抗ZL等于传输线特性阻抗Z0。
于是，传输线上的电压、电流瞬时表达式为：
u(t,z)＝A1cos(ωt-βz) (a)
Figure BDA0003268831380000071
式中，ω为角频率，β为相移常数，z为电磁波沿传输方向的距离，在TEM模下，β有以下关系：
Figure BDA0003268831380000072
其中，λ为波长。
由式(a)和式(b)可以得出以下结论，在行波状态下，沿近似无损耗的传输线：
电压、电流的振幅保持不变；
电压、电流的时空相位(ωt-βz)始终保持不变；
时域相位ωt和空间相位βz各自独立变化。
空间相位βz正是本专利需要关注的，同轴微波移相器的相移调节量φ可表示为：
Figure BDA0003268831380000081
其中，L为可变长度硬同轴线的可缩进量。
由此，本发明的可变长度硬同轴线，通过其长度调节，可实现微波的移相。
本发明实施例将可变长度硬同轴线的可缩进量设置为150mm，根据式(d)该长度实现了工作频率为2GHz至4GHz的0至2π移相。
根据电磁场电池波的传输线理论，固定段硬同轴线特性阻抗Z01为：
Figure BDA0003268831380000082
其中，D1为固定段外导体4的内径，d1为固定段内导体5的内径。
可伸缩段硬同轴线特性阻抗Z02为：
Figure BDA0003268831380000083
其中，D2为可伸缩段外导体1的内径，d2为可伸缩段内导体2的直径。
本发明实施例根据工程典型值，设置了固定段外导体4的内径D1为11.2mm和固定段内导体5的内径d1为4.5mm，该值下，固定段硬同轴线特性阻抗Z01约为50欧姆，与国标中规定的小功率微波电路同轴器件的特性阻抗相等。
为了使可伸缩段内导体2能伸入固定段内导体5，且两者能够活动连接，d1和d2需做到近似相等，因此，设置了可伸缩段内导体2的直径d2为4.25mm。
在此基础上，考虑阻抗匹配问题，需推算可伸缩段外导体1的内径D2。
从图1至图4以及本发明实施例的内容描述中，不难看出，D1和D2不可避免地具有明显差异。然而，阻抗匹配并不是需要Z01和Z02相等，而是需要衡量微波器件的整体模型。
根据电磁场电池波的传输线理论，对本发明实施例的同轴微波移相器进行电学建模，得到本发明实施例的同轴微波移相器阻抗匹配表达式为：
Zin＝Z01＝2Z02 (g)
其中，Zin为从本发明实施例的同轴微波移相器的第一连接结构进行观测的等效阻抗，该式表明，Z02的取值应为Z01的二分之一，由此通过式(f)得出，可伸缩段外导体1的内径D2为6.95mm。
电磁场电池波的传输线理论还提供了工作频段的计算方式，对于本发明实施例的同轴微波移相器而言，内外导体之间为空气填充，因而本发明实施例适用的微波波长范围为：
λ1≥π(D1+d1) (h)
λ2≥π(D2+d2) (i)
其中，λ1为固定段硬同轴线的适用微波波长范围，λ2为可伸缩段硬同轴线的适用微波波长范围。计算得到λ1≥4.96cm，λ2≥3.90cm，而2GHz至4GHz频率的微波波长为7.5cm至15cm，在固定段硬同轴线和可伸缩段硬同轴线的适用微波波长范围内。
总结而言，在本发明实施例中，同轴微波移相器频带范围为2GHz至4GHz，全频段相移量大于等于2π，采用N型连接头和N型连接器，可缩进量为150mm。
本发明实施例，同轴微波移相器的最小总长度约为290mm，最大总长度约为430mm。
综上，本发明通过上述设计，建立了可变长度硬同轴线，通过其长度调节，实现微波的移相，而第一连接结构和第二连接结构用于适配本发明应用场景的前后级电路；本发明的适用频率、衰减系数和功率容量均可通过可变长度硬同轴线的尺寸调整而调节，兼容性和适用性强，尤其解决了现有移相器不能完全适配医用电子直线加速器的AFC系统的问题。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种同轴微波移相器，其特征在于，包括：第一连接结构、可变长度硬同轴线和第二连接结构；
所述可变长度硬同轴线包括可伸缩段硬同轴线和固定段硬同轴线；所述可伸缩段硬同轴线的一端和固定段硬同轴线的一端活动连接；
所述第一连接结构与可伸缩段硬同轴线的另一端固定连接；
所述第二连接结构与固定段硬同轴线的另一端固定连接；
所述可伸缩段硬同轴线包括可伸缩段外导体(1)和位于可伸缩段外导体(1)内的可伸缩段内导体(2)；
所述固定段硬同轴线包括固定段外导体(4)和位于固定段外导体(4)内的固定段内导体(5)；
所述可伸缩段外导体(1)的一端伸入固定段外导体(4)，并在端部设有固定连接的梳状短路器(3)；所述梳状短路器(3)与固定段外导体(4)的内壁活动连接；
所述可伸缩段内导体(2)的一端伸入固定段内导体(5)，其外壁与固定段内导体(5)的内壁活动连接；
所述固定段外导体(4)内设有第一绝缘环(7)；所述第一绝缘环(7)的外表面贴合固定段外导体(4)的内壁，其内表面贴合固定段内导体(5)的外壁；
所述可伸缩段外导体(1)内设有第二绝缘环(8)；所述第二绝缘环(8)的外表面贴合可伸缩段外导体(1)的内壁，其内表面贴合固定段内导体(5)的外壁；
所述可伸缩段外导体(1)的外壁上设有贴合的限位卡圈(9)；所述限位卡圈(9)朝向固定段外导体(4)的一端外径加粗，并经过铣边处理，其抵靠固定段外导体(4)的端壁；
所述限位卡圈(9)外设有锁帽(10)；所述锁帽(10)的一端内径加粗，并与限位卡圈(9)的外壁贴合；所述锁帽(10)另一端的内壁设有卡扣，其扣接在固定段外导体(4)端部外壁上与其吻合的凹槽处；
所述第一连接结构包括：伸缩套筒(11)、第三绝缘环(12)、内导体铜芯(13)和N型连接头(14)；
所述伸缩套筒(11)的内表面与可伸缩段外导体(1)端部的外壁固定连接；
所述第三绝缘环(12)伸入伸缩套筒(11)，其外表面与伸缩套筒(11)的内表面固定连接，其一端抵靠可伸缩段外导体(1)的端壁；
所述内导体铜芯(13)穿过第三绝缘环(12)，并分别与N型连接头(14)的内芯和可伸缩段内导体(2)固定连接；
所述N型连接头(14)与伸缩套筒(11)固定连接；
所述第二连接结构包括：第四绝缘环(15)、内导体套探针(16)和N型连接器(17)；
所述第四绝缘环(15)设置于固定段外导体(4)的端部内，其外表面与固定段外导体(4)的内壁固定连接；
所述固定段内导体(5)在第一绝缘环(7)和第四绝缘环(15)之间处的外壁上设有内导体套(6)；
所述第四绝缘环(15)的一端与设有内导体套(6)的固定段内导体(5)的端部接触；
所述内导体套探针(16)穿过第四绝缘环(15)，并分别与N型连接器的内芯和固定段内导体(5)固定连接；
所述N型连接器(17)与固定段外导体(4)固定连接。
2.根据权利要求1所述的同轴微波移相器，其特征在于，所述可伸缩段外导体(1)的外径为7.4mm，其内径为6.95mm。
3.根据权利要求2所述的同轴微波移相器，其特征在于，所述固定段外导体(4)的内径为11.2mm。
4.根据权利要求3所述的同轴微波移相器，其特征在于，所述可伸缩段内导体(2)的直径为4.25mm。
5.根据权利要求4所述的同轴微波移相器，其特征在于，所述固定段内导体(5)的内径为4.5mm。
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