CN115513629A - 一种Ku波段大功率微波同轴波导转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ku波段大功率微波同轴波导转换器，在传统同轴波导变化器的基础上，十字形过渡腔体安装在矩形波导的尾部，进一步降低反射，变换波导的第三阶内侧设置劈尖结构，降低同轴探针附近的最大场强值，大法兰盘安装在矩形波导的头部，小法兰盘安装在过渡腔体，中心处开孔，穿过SMA连接器，开孔方形金属块的头部紧贴变换波导的第三阶外侧，尾部开孔，直径与SMA连接器探针相同，在Ku频带工作，驻波性能良好，填补了高工作频带天线单元领域的空白，增加同轴波导变换器的功率容量，转换效率较高，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种波导腔体设计技术。
背景技术
大功率微波技术广泛应用于微波武器、电子对抗、大功率传输等领域，模式转换器作为大功率传输系统中极为关键的器件，影响着整个传输系统的性能。
传统的模式转换器功率容量不能满足大功率微波发射的要求，由于尺寸的减小和加工精度的掣肘，在高频带内的功率容量变得更小。国内外学者们提出了专门针对大功率微波技术的模式转换器，主要有TEM-TM01模式变换器、TM01-TE10模式变换器等。这些模式变换器最高工作频段为X波段，尺寸较大，不能在阵列中使用。如何设计一种针对于高频带、阵列天线应用、功率容量大的同轴波导变换器，成为了亟待解决的问题。
现有技术下难以实现跨频带的工作需求，并且Ku波段的天线单元尺寸较小，难以设计。同轴波导变换器应用于相控阵体系，应该尽可能的小型化、剖面低，适应整个发射系统。相控阵的输入模式为同轴线的TEM模式，输出模式为矩形波导的TE10模式，需要设计一款新型的同轴波导变换器。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种Ku波段大功率微波同轴波导转换器，在传统同轴波导变换器的基础上，提出了一种功率容量大的宽带同轴波导变换器，有效降低相控阵阵面的成本和设备体积，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
转换器包括矩形波导、十字形过渡腔体、三阶变换波导、开孔方形金属块，过渡腔体安装在矩形波导的尾部，变换波导的第三阶内侧设置劈尖结构，开孔方形金属块的头部紧贴变换波导的第三阶外侧。
转换器还包括大、小法兰盘，大法兰盘安装在矩形波导的头部，小法兰盘安装在过渡腔体，中心处开孔，穿过SMA连接器。
过渡腔体的上、下端与矩形波导的内壁齐平，左、右两端窄于矩形波导的内壁，两者的内部相通。
变换波导的三阶形状为长方体，长、宽相等，不超过中心频点工作波长的1/4，最高处不超过矩形波导宽边的2/3，劈尖结构与变换波导等宽。
方形金属块与变换波导的第三阶等高，宽度与变换阶梯相同，尾部开孔，直径与SMA连接器探针相同。
本发明的有益效果：在传统同轴波导变化器的基础上，引入了十字形过渡腔，尺寸小，结构简单，便于实现，可靠性好，进一步降低反射，第三阶设置劈尖，降低同轴探针附近的最大场强值，防止空气击穿现象，天线单元在Ku频带工作，覆盖Ku波段，驻波性能良好，填补了高工作频带天线单元领域的空白，有效调节同轴波导变换器的功率容量，增加同轴波导变换器的功率容量，弥补了高功率相控阵发射功率容量的不足，在宽频带内实现模式变换和阻抗匹配，转换效率较高，降低了成本。
附图说明
图1是结构图，图2是俯视图，图3是侧视图，图4是过渡腔体结构，图5是驻波比仿真曲线。
附图标记：1-矩形波导，2-过渡腔体，3-变换波导，4-劈尖结构，5-开孔方形金属块，6-大法兰盘，7-小法兰盘，31-第一阶，32-第二阶，33-第三阶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
要求工作频率为Ku波段整个波段内，驻波比VSWR<2，整个同轴波导变换器实现10kW功率传输的功率容量。
转换器的结构如图1和图2所示，过渡腔体2安装在矩形波导1的尾部，大法兰盘6安装在矩形波导1的头部。
变换波导3的结构如图3所示，从第一阶31到第二阶32、第三阶33依次增高，改变了特性阻抗，小于矩形波导的阻抗，大于同轴线输入特性阻抗，起到了阻抗渐变的作用。
变换波导3的外侧安装开孔方形金属块5，长、宽与变换波导3一致，与SMA连接器探针连接，延长探针内径外壁电流路径，使输入电流在矩形波导中激发TE10模式，提高转换效率。
过渡腔体2结构如图4所示，为十字形，与矩形波导1导通，安装小法兰盘7，探针外壁在过渡腔体2辐射电磁场，十字形的结构改变电磁场辐射边界条件，对称抵消入射场与反射场的半径分量，调节过渡腔体的尺寸，可以有效调节功率容量。
令转换器的工作频带为14.5GHz-19GHz，覆盖Ku波段，整体尺寸为13.5mm×9mm×55mm，整体天线单元的厚度为1mm，实现转换器的小型化。
参照图1至图4，依据矩形波导TE10截止波长公式，求得矩形波导口的尺寸为11.5mm×7mm，波导长度为23.5mm，考虑到设备体积和加工成本的要求，矩形波导的长度可不限于此，尽可能选择最小值，使其剖面降到最低。
从第一阶31到第二阶32、第三阶33高度依次为3.5mm、2.1mm和1mm，变换波导的宽度为1.8mm，长度为2mm。
开孔方形金属块的尺寸为3.5mm×1mm×6mm，十字形过渡腔体的尺寸为4.5mm×7mm，上下两段突出腔体的高度为1mm，左右突出腔体的宽度为3.5mm。
参考图5经过仿真建立模型，在14.5GHz-19GHz波段，同轴波导变换器的驻波比VSWR小于2，显示了其驻波性能良好。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种Ku波段大功率微波同轴波导转换器，其特征在于，包括：矩形波导、十字形过渡腔体、三阶变换波导、开孔方形金属块，过渡腔体安装在矩形波导的尾部，变换波导的第三阶内侧设置劈尖结构，开孔方形金属块的头部紧贴变换波导的第三阶外侧。
2.根据权利要求1所述的Ku波段大功率微波同轴波导转换器，其特征在于，还包括：大、小法兰盘，大法兰盘安装在矩形波导的头部，小法兰盘安装在过渡腔体，中心处开孔，穿过SMA连接器。
3.根据权利要求1所述的Ku波段大功率微波同轴波导转换器，其特征在于，所述过渡腔体的上、下端与矩形波导的内壁齐平，左、右两端窄于矩形波导的内壁，两者的内部相通。
4.根据权利要求1所述的Ku波段大功率微波同轴波导转换器，其特征在于，所述变换波导的三阶形状为长方体，长、宽相等，不超过中心频点工作波长的1/4，最高处不超过矩形波导宽边的2/3，劈尖结构与变换波导等宽。
5.根据权利要求1所述的Ku波段大功率微波同轴波导转换器，其特征在于，所述方形金属块与变换波导的第三阶等高，宽度与变换阶梯相同，尾部开孔，直径与SMA连接器探针相同。
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