CN115312999A - 高功率微波阶梯型插片式波导移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波阶梯型插片式波导移相器，包括矩形波导电桥，矩形波导电桥内部设有左右并列布置的两个第一矩形波导，两个第一矩形波导位于同一侧的矩形端口分别作为微波输入口和微波输出口，两个第一矩形波导各连接有一条微波反射路径，微波反射路径均包括依次相连的圆极化转换器、波导过渡关节以及圆极化波反射器共三个部件，圆极化转换器上位于与微波输入口连接口的一侧设有负载匹配端口，圆极化波反射器与波导过渡关节转动连接，且圆极化波反射器中设有用于基于旋转调节输出微波相位的微波相位调节部件。本发明同时具备高功率容量、结构紧凑、调节速度快、精度高的优点，能够解决现有高功率微波移相器不利于系统集成、难以实现连续精准调相等问题。

Description

高功率微波阶梯型插片式波导移相器

技术领域

本发明涉及高功率微波移相器，具体涉及一种高功率微波阶梯型插片式波导移相器。

背景技术

高功率微波移相器主要用于改变传输微波相位，常用于处理高功率微波系统中对于特定相位的需求，在雷达系统、通信系统、电子对抗系统等多个领域具有广泛研究应用，微波移相器性能的优劣对系统运行效果好坏具有重要影响。因此，研究结构紧凑、功率容量大、调相快速且精准的微波移相器具有重要意义。

按传输结构不同，传统微波移相器可分为波导移相器、SIW移相器、微带移相器等类型，考虑到对器件功率容量的需求，有关高功率微波移相器的研究主要集中在波导移相器上。常见高功率波导移相器包括铁氧体移相器、机械式移相器等。铁氧体移相器利用铁氧体材料传播常数随所处环境电磁场强度变化的特性实现输出微波相位的调节。然而，当铁氧体材料处于强电磁场环境时，易发生击穿，因此这类移相器功率容量相对有限，通常在兆瓦以内；并且在使用过程中，由于铁氧体材料特性，存在部分能量损失，这无疑增加了微波系统的能量损耗；此外，要实现移相的功能需要引入的铁氧体材料通常较大，不利于该移相器在高功率微波系统中集成。

相比之下，采用全金属结构、不引入其他介质材料的机械式波导移相器更容易实现高功率容量。现有机械式移相器最为常用的调节方式为推拉式。国防科技大学杨一明利用矩形波导中微波传输常数与波导宽边尺寸有关的特性(杨一明,袁成卫,钱宝良.高功率微波矩形波导宽边可调移相器[P])，将波导中一段窄边与电机相连，通过电机推拉活动窄边移动，形成一段宽边尺寸可控的波导，进而改变微波传输常数，实现调相的功能；中物院廖勇等通过在矩形波导中平行电场放置可沿宽边移动的金属膜片改变波导临界频率以改变微波传输常数以达到调相的目的(廖勇,谢平,徐刚,陈世韬,施美友,马弘舸.一种高功率微波金属片波导移相器设计与特性分析[J].强激光与粒子束,2015,27(06):198-203)。对于这两种常见波导移相器，结构及原理都较为简单，但活塞的引入无疑加大了结构抽真空难度，容易产生能量泄露，降低器件功率容量。不仅如此，还需要预留足够的空间用于活塞推拉，导致这类移相器普遍结构不够紧凑，不利于在高功率微波系统中集成。器件输出微波的相移量与推拉距离并非呈线性变化，活塞在单向推拉至一端尽头后存在机械恢复过程，难以实现连续精准调相。

针对上述现有常用高功率微波移相器存在问题，结合目前高功率微波系统的应用需求，如何设计出同时具备高功率容量、结构紧凑、调节速度快、精度高等优点的高功率微波移相器是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种同时具备高功率容量、结构紧凑、调节速度快、精度高的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，以解决现有高功率微波移相器不利于系统集成、难以实现连续精准调相等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高功率微波阶梯型插片式波导移相器，包括矩形波导电桥，所述矩形波导电桥内部设有左右并列布置的两个第一矩形波导，所述两个第一矩形波导位于同一侧的矩形端口分别作为微波输入口和微波输出口，所述两个第一矩形波导各连接有一条微波反射路径，所述微波反射路径均包括依次相连的圆极化转换器、波导过渡关节以及圆极化波反射器共三个部件，所述圆极化转换器上位于与微波输入口连接口的一侧设有负载匹配端口，所述圆极化波反射器与波导过渡关节转动连接，且所述圆极化波反射器中设有用于基于旋转调节输出微波相位的微波相位调节部件。

可选地，所述矩形波导电桥的两个第一矩形波导之间设有公共窄边，且所述公共窄边的区域中设有沿长度方向布置的两根圆柱形的金属销钉，所述金属销钉关于公共窄边的区域中线对称布置、且平行于从微波输入口注入微波的TE₁₀模式电场方向布置。

可选地，所述公共窄边的耦合区域宽度a’满足3λ/2>a’>2*a，其中，λ为注入微波的波长，a为第一矩形波导的宽度，且注入微波的波长λ满足：

以使得两根第一矩形波导的公共窄边的区域只传输TE₁₀和TE₂₀模式的微波，其中，

为TE₂₀模式的微波波长，

为TE₃₀模式的微波波长。

可选地，所述公共窄边的长度d_1满足相位差θ的值为π/2，且公共窄边的长度d_1和相位差θ之间的函数表达式为：

θ＝(β₁₀-β₂₀)d_1

上式中，β₁₀为微波的TE₁₀模式的相移常数，β₂₀为微波的TE₂₀模式的相移常数。

可选地，所述圆极化转换器包括上下并列布置的两根第二矩形波导，且下侧的第二矩形波导与第一矩形波导相连、上侧的第二矩形波导朝向第一矩形波导的一侧的端部作为负载匹配端口；所述两个第二矩形波导之间设有阶梯型金属膜片，所述阶梯型金属膜片的阶梯沿着靠第一矩形波导一侧开始朝向波导过渡关节一侧布置，使得两个第二矩形波导的内部传输空间在阶梯型金属膜片的分割下由上下并列布置的两根第二矩形波导逐渐过渡为方波导以与波导过渡关节连通。

可选地，所述波导过渡关节的内部腔体一端为方波导以用于圆极化转换器连通、另一端为圆波导以用于与圆极化波反射器连通，且该内部腔体为方波导和圆波导的渐变曲面。

可选地，所述圆极化波反射器为筒状结构，所述微波相位调节部件为设于圆极化波反射器底部沿直径方形布置的金属隔板，且所述金属隔板两侧与圆极化波反射器的内壁相连。

可选地，所述金属隔板的高度小于圆极化波反射器的高度。

可选地，所述矩形波导电桥、圆极化转换器、波导过渡关节及圆极化波反射器均采用金属制成。

可选地，所述两条微波反射路径的各个部件之间横向连接。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

1、本发明矩形波导电桥内部设有左右并列布置的两个第一矩形波导，两个第一矩形波导各连接有一条微波反射路径，微波反射路径均包括依次相连的圆极化转换器、波导过渡关节以及圆极化波反射器共三个部件，具有结构紧凑、体积小巧的优点，有利于在高频段高功率微波系统中实现集成。

2、本发明圆极化波反射器与波导过渡关节转动连接，且圆极化波反射器中设有用于基于旋转调节输出微波相位的微波相位调节部件，利用圆极化波反射调相性质实现输出微波相位调节，相移量与圆极化波反射器旋转角度呈二倍线性关系，可实现微波输出相位的高精度调节；而且，采用旋转式调相方式，与背景技术中的推拉式调相方式相比，省去了机械恢复过程，大幅提升了调相速度及效率。

附图说明

图1为本发明实施例中高功率微波阶梯型插片式波导移相器的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中矩形波导电桥沿坐标轴xoy面的剖视图。

图3为本发明实施例中矩形波导电桥沿y+方向的侧视图。

图4为本发明实施例中圆极化转换器沿y-方向看的侧视图

图5为图4中BB’的沿对称面剖视结构示意图。

图6为本发明实施例中从y+方向看去波导过渡关节的侧视图。

图7为本发明实施例中从y-方向看去波导过渡关节的侧视图。

图8为本发明实施例中波导过渡关节的主视结构图。

图9为本发明实施例中圆极化波反射器沿YOZ平面剖视图。

图10为本发明实施例中圆极化波反射器自y+方向看去的侧视图。

图11为本发明实施例中矩形波导电桥仿真各端口S参数随频率变化的曲线图。

图12为本发明实施例中圆极化转换器仿真轴比及能量传输效率随频率变化的曲线图。

图13为本发明实施例移相器在中心频点处工作时内部场强分布图。

图14为本发明实施例移相器传输效率和相移量随圆极化波反射器旋转角度变化曲线。

图15为本发明实施例移相器各端口S参数随频率变化的曲线。

图例说明：1、矩形波导电桥；11、第一矩形波导；12、微波输入口；13、微波输出口；14、公共窄边；15、金属销钉；2、圆极化转换器；21、负载匹配端口；22、第二矩形波导；23、阶梯型金属膜片；3、波导过渡关节；4、圆极化波反射器；41、微波相位调节部件。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的高功率微波阶梯型插片式波导移相器包括矩形波导电桥1，矩形波导电桥1内部设有左右并列布置的两个第一矩形波导11，两个第一矩形波导11位于同一侧的矩形端口分别作为微波输入口12和微波输出口13，两个第一矩形波导11各连接有一条微波反射路径，微波反射路径均包括依次相连的圆极化转换器2、波导过渡关节3以及圆极化波反射器4共三个部件，圆极化转换器2上位于与微波输入口12连接口的一侧设有负载匹配端口21，圆极化波反射器4与波导过渡关节3转动连接，且圆极化波反射器4中设有用于基于旋转调节输出微波相位的微波相位调节部件41。

图2是矩形波导电桥1沿坐标轴xoy面的剖视图，图3为沿y+方向看该结构侧视图，上述坐标系定义如图1所示。如图2和图3所示，矩形波导电桥1的两个第一矩形波导11之间设有公共窄边14，且公共窄边14的区域中设有沿长度方向布置的两根圆柱形的金属销钉15，金属销钉15关于公共窄边14的区域中线对称布置、且平行于从微波输入口12注入微波的TE10模式电场方向布置。参见图2，第一矩形波导11的尺寸为a*b。矩形波导电桥1一侧两微波输入口分别作微波输入口12和微波输出口13，其传输长度为l_1，另一侧矩形波导传输长度为l_2，公共窄边区域长为d_1，裂缝宽度为h，公共区域窄边宽度a’＝2*a+h。为了拓展电桥带宽，在公共窄边区域引入了两根圆柱形金属销钉15，直径为2*R_1，两根圆柱形金属销钉15的间距为d_2。为避免两根圆柱形金属销钉15处电场集中导致降低器件功率容量，本实施例中销钉平行于TE₁₀模式电场放置。

为了简便，将微波输入口12简称为端口1#1，微波输出口13简称端口1#4，另一侧的两个端口(图中为Port1和Port2)为端口1#2、端口1#3。当微波自端口1#1以TE₁₀模式注入，此时电场只有垂直于波导宽边的分量，根据模式匹配理论，该模式在公共窄边区域内只能激励起TE_n0模式，可以通过限定公共窄边14的耦合区域宽度a’，使得公共窄边14的耦合区域宽度a’满足3λ/2>a’>2*a，其中，λ为注入微波的波长，a为第一矩形波导11的宽度，且注入微波的波长λ满足：

以使得两根第一矩形波导11的公共窄边14的区域只传输TE₁₀和TE₂₀模式的微波，其中，

为TE₂₀模式的微波波长，

为TE₃₀模式的微波波长。此时公共窄边区域内只传输TE₁₀和TE₂₀模式。根据叠加原则，在端口1#1输入电场幅度为E₀的TE₁₀模可等效为从端口1#1和端口1#4同时注入电场幅度为

的偶模波和奇模波。根据奇偶禁戒规则得，偶模波在公共窄边区域只能激励起TE₁₀模式，相移常数为β₁₀；奇模波在公共窄边区域只能激励奇TE₂₀模式，相移常数为β₂₀，两种模式同时传向电桥另一侧两端口，以耦合区域初始位置处为相位参考面，端口1#2的场E₂、端口1#3的场E₃分别为：

上式中，e为自然常数，j为虚数单位，β₁₀为微波的TE₁₀模式的相移常数，β₂₀为微波的TE₂₀模式的相移常数，d_1为公共窄边14的长度。其中，π是端口1#3处TE₁₀模电场与TE₂₀模电场反相也引起的相位差，端口1#2和端口1#3输出电场和功率分配比：

E₃/E₂＝(1-e^jθ)/(1+e^jθ)＝tan(θ/2)e^-jπ/2，

P₃/P₂＝tan²(θ/2)，

其中，θ为相位差(端口1#2和端口1#3输出电场的相位差)。当d_1长度满足使θ＝π/2时，可实现输入微波自端口1#2和端口1#3等幅输出，且端口1#3电场相位比端口1#2的电场相位落后π/2。若将端口1#2和端口1#3短路，根据互易定理，反射微波将全部从端口1#4输出。通过引入其他结构可改变反射微波相位即可实现端口1#4输出相位的改变，这也是本发明实现移相功能的基本原理。因此，本实施例中公共窄边14的长度d_1满足相位差θ的值为π/2，且公共窄边14的长度d_1和相位差θ之间的函数表达式为：

θ＝(β₁₀-β₂₀)d_1

上式中，β₁₀为微波的TE₁₀模式的相移常数，β₂₀为微波的TE₂₀模式的相移常数。

本实施例中，矩形波导电桥1的参数设置包括：首先根据器件工作的中心频率计算对应波长，为了使公共窄边14的区域内只传输TE₁₀和TE₂₀模式，公共窄边14的耦合区域宽度a’满足3λ/2>a’>2*a，依据该条件确定第一矩形波导11的尺寸a*b，为方便加工，可在常见标准波导中选取合适型号，推得公共窄边11的区域裂缝宽度h的取值范围。初步仿真时可取该范围内中间值，根据公共窄边14的长度d_1满足相位差θ的值为π/2计算得窄边区域长度d_1初步仿真值，金属销钉间距d_2初始值可设置为3/4*d_1。为便于加工，圆柱形金属销钉直径2R_1通常取0.5mm、1mm、2mm等数值，具体尺寸可根据器件整体尺寸大小确定。矩形波导电桥1两侧的第一矩形波导11传输长度l_1、l_2在保证微波正常传输的前提下，以缩小整体尺寸为主要考虑因素适当取值即可。确定各个参数初步仿真值后，利用电磁仿真软件CSTStudio Suite对矩形波导电桥1进行单独仿真，端口1#1输入，端口1#4设置匹配负载，端口1#2、端口1#3输出，以中心频点处电桥反射系数小于设定值(本实施例具体取值-20dB)，端口1#2、端口1#3传输系数约等于设定值(本实施例具体取值-3dB)，相位差θ为优化目标，可获得矩形波导电桥11的结构参数a*b、l_1、l_2、d_1、d_2、R_1、h的精确值。

如图4和图5所示，圆极化转换器2包括上下并列布置的两根第二矩形波导22，且下侧的第二矩形波导22与第一矩形波导11相连、上侧的第二矩形波导22朝向第一矩形波导11的一侧的端部作为负载匹配端口21；两个第二矩形波导22之间设有阶梯型金属膜片23，阶梯型金属膜片23的阶梯沿着靠第一矩形波导11一侧开始朝向波导过渡关节3一侧布置，使得两个第二矩形波导22的内部传输空间在阶梯型金属膜片22的分割下由上下并列布置的两根第二矩形波导22逐渐过渡为方波导以与波导过渡关节3连通。参见图4和图5，两根第二矩形波导22与矩形波导电桥1中第一矩形波导11尺寸同为a*b，阶梯型金属膜片23厚度为t_2，因此输出方波导尺寸为a*b’，其中b’＝2*b+t_2。参见图5，其中第二矩形波导22的并列矩形波导部分传输长度为l_3，方波导传输部分长度为l_4，阶梯型金属膜片2的各个台阶尺寸为a_1*b*1、a_2*b_2、a_3*b_3。需要说明的是，图5中阶梯型金属膜片23仅仅是以三级台阶为例进行说明，此外也可以采用更多或更少的台阶数量。

圆极化转换器2整体关于微波相位调节部件41对称，因此可采用奇偶模激励法进行分析。为方便描述，设矩形波导两端口2#分别为端口2#1、端口2#2，方波导端口2#为端口2#3。当偶模激励时，金属膜片上下壁电流大小相等方向相反，因此金属膜片的存在不会造成壁电流被切断，根据偶模传输特性，此时端口2#3处输出TE₁₀模式。当奇模激励时，金属膜片上下壁电流大小相等方向相同，此时壁电流将在不连续处被截断，发生模式的转换和反射，根据奇模传输场的对称特性，此时端口2#3输出TE₀₁模式。奇模和偶模两种激励所产生的响应之和，可等效为端口2#1输入，端口2#2接匹配负载时产生的响应。此时端口2#3将产生TE₁₀和TE₀₁两种相互正交的模式，通过调节阶梯型金属膜片尺寸，使两种模式相位差为90°即可形成圆极波。

本实施例中，圆极化转换器2的参数设置包括：根据圆极化转换器2工作原理可知，其工作效果主要与阶梯型金属膜片23的尺寸和厚度有关。在常规设计中，阶梯型金属膜片23的厚度t_2通常取0.6mm以下，但考虑到需应用于高功率微波系统中，出于对阶梯型金属膜片23机械强度以及器件功率容量的考虑，通常会适当增加阶梯型金属膜片23的厚度t_2。因此最终末端可能不是标准方波导，而是近似方波导，尺寸为a*b’，其中b’＝2*b+t_2。矩形波导传输长度以及近似方波导传输长度l_3、l_4在保证微波正常传输的前提下，以缩小整体尺寸为主要考虑因素适当取值即可。初步仿真时，可根据宽边a将阶梯设置为等宽等高阶梯，利用电磁仿真软件CST Studio Suite，对圆极化转换器2进行单独仿真，设置端口2#1输入，端口2#2接匹配负载，端口2#3输出，以输出微波在中心频点处圆极化波轴比AR＜设定值(本实施例具体取值1.05)，输入端口反射小于设定值(本实施例具体取值-20dB)，传输效率大于设定值(本实施例具体取值98％)为优化目标，确定圆极化转换器2结构参数t_2、a_1*b_1、a_2*b_2、a_3*b_3。

如图6、图7和图8所示，波导过渡关节3的内部腔体一端为方波导以用于圆极化转换器2连通、另一端为圆波导以用于与圆极化波反射器4连通，且该内部腔体为方波导和圆波导的渐变曲面。波导过渡关节3主要用于连接圆极化转换器2和圆极化波反射器4，整体为矩形波导过渡至圆波导的渐变结构，矩形端口尺寸与圆极化器输出端口尺寸一致为a*b’，圆形端口尺寸与末端圆极化波反射器4中圆波导尺寸一致，直径为2*R_2，矩-圆波导过渡关节3长度为l_5。

本实施例中，波导过渡关节3的参数设置包括：矩形波导端口尺寸和圆波导端口尺寸与圆极化转换器2中输出近似方波导尺寸和圆极化波反射器4圆波导尺寸一致，长度l_5可初步设置为λ/2。圆极化波反射器4中圆波导总长度l_6可初步设为λ，为减小反射，圆波导半径R_2初始值设为a/2，金属隔板长度l_7设置为λ/4，厚度t_2根据中心频率大小取0.5mm、1mm或2mm，倒角半径R_3取t_2/2。利用电磁仿真软件CST Studio Suite联合所有结构进行仿真，在中心频点处，以器件结构反射系数S₁₁小于-20dB，传输系数S₄₁大于0.99为目标，通过优化确定矩-圆波导过渡关节3、圆极化波反射器4结构参数l_5、l_6、l_7、R_2、t_2、R_3。

如图9和图10所示，圆极化波反射器4为筒状结构(由圆波导以及位于圆波导末端的短路金属板组成)，微波相位调节部件41为设于圆极化波反射器4底部沿直径方形布置的金属隔板，且金属隔板两侧与圆极化波反射器4的内壁相连。参见图9和图10，圆极化波反射器4中圆波导总长度为l_6，直径为2*R_2，末端短路金属板与器件整体金属外壁等厚，为t，金属隔板的长度为l_7，与圆波导直径同宽，厚度为t_3。为防止金属隔板的末端边缘出现电场增强，降低整体功率容量，本实施例中还包括对金属隔板的末端作倒角处理，倒角半径为t_3/2。根据电磁场理论，任何圆极化波可分解为两束幅度相同、相位相差π/2的正交线极化波。当金属隔板足够薄时，垂直于金属隔板的线极化分量会正常传输至短路金属板后反射；平行金属隔板的线极化分量将在隔板处被反射，调节金属隔板的长度l_7约等于λ/4，改变两反射波相位差，可使输入的右旋圆极化波经反射后转换为左旋圆极化波。根据Pancharatnam-Berry(P-B)相位原理，反射圆极化波相位与金属隔板的旋转角度成二倍关系，意味着金属隔板转动一周，反射圆极化波相位将变化两个周期。由于圆极化波反射器4可实现连续转动，从而可实现反射波相位连续相位调节，结合矩形波导电桥1的移相原理，在实际应用中将圆极化波反射器4与电机相连，利用电机带动圆极化波反射器4旋转，省去了推拉式移相器机械恢复过程，可实现输出相位的连续高效调节，精度由电机控制，可达到0.01°。参见图9，本实施例中金属隔板的高度小于圆极化波反射器4的高度。

本实施例中，矩形波导电桥1、圆极化转换器2、波导过渡关节3及圆极化波反射器4均采用金属制成，由于为全金属结构，未引入易击穿的介质材料，因此功率容量高、传输损耗小，具备应用于高功率微波系统的潜力。本实施例的高功率微波阶梯型插片式波导移相器器件整体采用金属材料，金属壁厚度为t。两条微波反射路径的各个部件之间横向连接，使得整体尺寸得到有效缩减，结构紧凑，有利于在高频段高功率微波系统中实现集成。

本实施例中，以X波段中心频率为8.4GHz(对应微波波长λ＝35.71mm)为例，高功率微波阶梯型插片式波导移相器实施例具体设计尺寸：以图1所示整体结构示意图及坐标系为参考进行说明，在仿真软件CST Studio Suite中所有结构均设置为PEC材料。参照图2，为便于加工，本实施例中矩形波导电桥1中矩形波导尺寸选用BJ100标准波导尺寸，即a*b＝22.86mm*10.5mm，金属壁厚度t取1mm，电桥两端矩形波导传输部分长度l_2、l_3分别取10mm、5mm，金属销钉直径2R_2取1mm。为使公共窄边区域内只传输TE₁₀和TE₂₀模式，公共窄边部分区域宽度a’应满足53.56mm>a’>35.71mm。初始取h＝4mm，初步取d_1＝58mm，d_2＝43mm。设置端口1#1为输入端，端1#口4接匹配负载，端口1#2、端口1#3为输出端。根据指标要求对各参数进行优化，通过仿真确定公共窄边14的区域宽度h＝5.73mm，长度d_1＝53.18mm，两销钉间距d_2＝41.44mm。如图11所示为该参数下，矩形波导电桥1各端口传输系数，在8.2GHz-8.6GHz范围内，端口1#1反射系数S₁₁及端口4传输系数均小于-21dB，在中心频点8.4GHz处端口1#2、端口1#3输出功率相等，约为-3dB。

参照图4和图5，设置圆极化转换器2的矩形波导传输部分长度l_3＝10mm，近似方波导传输长度l_4＝10mm。根据矩形波导a*b尺寸，将输出波导初步设计为方波导，因此阶梯型金属膜片23的厚度t_2＝a-2*b＝3.3mm，三级阶梯初步按等高阶梯设计，尺寸依次设置为a_1*b_1＝5.71mm*8mm，a_2*b_2＝5.71mm*8mm，a_3*b_3＝5.71mm*8mm。设置端口2#1为输入端口，端口2#2接匹配负载，端口2#3为输出端口，根据指标要求对各参数进行优化，经仿真确定各参数具体值，金属膜片尺寸为a_1*b_1＝5.46mm*8.57mm，a_2*b_2＝2.56mm*8.53mm，a_3*b_3＝4.87mm*7.02mm，阶梯型金属膜片23的膜片厚度t_2＝2.69mm，矩形波导传输部分长度l_3＝5mm，近似方波导传输长度l_4＝7.91mm。如图12所示为优化后参数下，圆极化转换器2输出圆极化波轴比及能量传输效率，在8.2GHz-8.6GHz范围内，能量传输效率大于98.7％，输出圆极化波轴比AR小于1.03。

结合技术方案初步设定波导过渡关节3和圆极化波反射器4尺寸，将优化好的矩形波导电桥1、圆极化转换器2按照图1所示联合仿真，设端口1#1为输入端口，端口1#2、1#3分别接匹配负载，端口1#4为输出端口。根据指标要求对波导过渡关节3和圆极化波反射器4参数进行优化，最终确定各项结构参数如下：波导过渡关节3长度l_5＝17.52mm，圆波导半径R_2＝12.31mm，金属外壁及短路端金属板厚度t＝1mm，圆波导长度l_6＝40.84mm，末端金属隔板长度l_7＝20.84mm，厚度t_3＝1mm。如图13所示为整体仿真时移相器内电场分布，微波自端口1#1输入，端口1#4输出，在0.5W输入功率下，最大电场强度为4902V/m，取X波段金属真空击穿电场为50MV/m，该移相器单元的功率容量大约为52MW，因此可用于高功率微波系统。图14所示为中心频点8.4GHz处输出微波相位及能量传输效率随末端圆极化波反射器4旋转角度变化关系。将两个圆极化波反射器4同步旋转180°可实现输出微波相位360°调节，满足2倍线性变化关系。在一个移相周期内，能量传输效率始终大于98％。图15所示为各端口S参数随频率变化的曲线，在8.32GHz-8.57GHz范围内传输系数S21、S31、S41均小于-20dB，该带宽满足窄带高功率微波源的应用需求。根据本实施例设计方法，在频带范围内其他频点同样可以达到图11至图15所示的实施效果。同时，对于与本实施例频率跨度较大的频段，采用本实施例中所提出结构的缩比模型，根据本实施例中所使用的制作工艺和设计方法均可以实现对高功率微波的输出相位的调节功能。

综上所述，相比现有常见波导移相器，本实施例的高功率微波阶梯型插片式波导移相器具有较高功率容量、更紧凑的结构、更快的移相速度、更高的移相精度。本实施例的高功率微波阶梯型插片式波导移相器结构紧凑、加工工艺简单，在工程上容易实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，包括矩形波导电桥(1)，所述矩形波导电桥(1)内部设有左右并列布置的两个第一矩形波导(11)，所述两个第一矩形波导(11)位于同一侧的矩形端口分别作为微波输入口(12)和微波输出口(13)，所述两个第一矩形波导(11)各连接有一条微波反射路径，所述微波反射路径均包括依次相连的圆极化转换器(2)、波导过渡关节(3)以及圆极化波反射器(4)共三个部件，所述圆极化转换器(2)上位于与微波输入口(12)连接口的一侧设有负载匹配端口(21)，所述圆极化波反射器(4)与波导过渡关节(3)转动连接，且所述圆极化波反射器(4)中设有用于基于旋转调节输出微波相位的微波相位调节部件(41)。

2.根据权利要求1所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述矩形波导电桥(1)的两个第一矩形波导(11)之间设有公共窄边(14)，且所述公共窄边(14)的区域中设有沿长度方向布置的两根圆柱形的金属销钉(15)，所述金属销钉(15)关于公共窄边(14)的区域中线对称布置、且平行于从微波输入口(12)注入微波的TE₁₀模式电场方向布置。

3.根据权利要求2所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述公共窄边(14)的耦合区域宽度a’满足3λ/2>a’>2*a，其中，λ为注入微波的波长，a为第一矩形波导(11)的宽度，且注入微波的波长λ满足：

以使得两根第一矩形波导(11)的公共窄边(14)的区域只传输TE₁₀和TE₂₀模式的微波，其中，

为TE₂₀模式的微波波长，

为TE₃₀模式的微波波长。

4.根据权利要求3所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述公共窄边(14)的长度d_1满足相位差θ的值为π/2，且公共窄边(14)的长度d_1和相位差θ之间的函数表达式为：

θ＝(β₁₀-β₂₀)d_1

上式中，β₁₀为微波的TE₁₀模式的相移常数，β₂₀为微波的TE₂₀模式的相移常数。

5.根据权利要求1所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述圆极化转换器(2)包括上下并列布置的两根第二矩形波导(22)，且下侧的第二矩形波导(22)与第一矩形波导(11)相连、上侧的第二矩形波导(22)朝向第一矩形波导(11)的一侧的端部作为负载匹配端口(21)；所述两个第二矩形波导(22)之间设有阶梯型金属膜片(23)，所述阶梯型金属膜片(23)的阶梯沿着靠第一矩形波导(11)一侧开始朝向波导过渡关节(3)一侧布置，使得两个第二矩形波导(22)的内部传输空间在阶梯型金属膜片(22)的分割下由上下并列布置的两根第二矩形波导(22)逐渐过渡为方波导以与波导过渡关节(3)连通。

6.根据权利要求1所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述波导过渡关节(3)的内部腔体一端为方波导以用于圆极化转换器(2)连通、另一端为圆波导以用于与圆极化波反射器(4)连通，且该内部腔体为方波导和圆波导的渐变曲面。

7.根据权利要求1所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述圆极化波反射器(4)为筒状结构，所述微波相位调节部件(41)为设于圆极化波反射器(4)底部沿直径方形布置的金属隔板，且所述金属隔板两侧与圆极化波反射器(4)的内壁相连。

8.根据权利要求7所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述金属隔板的高度小于圆极化波反射器(4)的高度。

9.根据权利要求1所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述矩形波导电桥(1)、圆极化转换器(2)、波导过渡关节(3)及圆极化波反射器(4)均采用金属制成。

10.根据权利要求1所述的高功率微波阶梯型插片式波导移相器，其特征在于，所述两条微波反射路径的各个部件之间横向连接。

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