CN115732873A - 一种超宽带薄片式90°扭波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带薄片式90°扭波导，属于微波和毫米波波导系统或波导器件技术领域。该90°扭波导为中心对称结构，通过在方波导的一对角处切除尺寸相同的小长方体，在另一对角处切除尺寸相同的大长方体，然后在大长方体邻近方波导中轴线的棱处再向内切除一个三棱柱状凹陷，整体外形呈“X”型。本发明结构简单紧凑，性能优异，在特定条件下能与两极化正交的矩形波导组成一个一体化加工的90°扭波导，而其中“超宽带”和“一体化加工”两大特点，是本发明对传统技术和现有技术的一种重要突破，有较大的工程价值。

Description

一种超宽带薄片式90°扭波导

技术领域

本发明属于微波和毫米波波导系统或波导器件技术领域，涉及一种波导互连器件，具体为一种超宽带薄片式90°扭波导。

背景技术

扭波导作为一种波导互连器件，主要应用于卫星通信、移动通信、航天航空、雷达、测控、导航、气象等军用和民用领域的微波和毫米波波导系统或波导器件中。扭波导又称为波导扭转接头，其两端通常连接两个极化相互正交的矩形波导，而其作用则是将输入的电磁波(通常为TE10模)的极化方向改变到指定角度(较常见的是90°)，而不改变电磁波的传播方向。

传统的扭波导主要有光滑变化扭波导和阶梯式变化扭波导两种。对于光滑变化扭波导，其加工涉及复杂的扭管工艺，加工成本高。另外，为保证性能，光滑变化扭波导的长度一般为λg/2的整数倍且最短不低于2λg(λg为中心频点波导波长)，因此光滑变化扭波导尺寸大，限制了其在尺寸较紧凑的系统中的应用。至于阶梯式变化扭波导，每个阶梯的长度一般为λg/4。另外，一般而言阶梯越多，阶梯式变化扭波导的性能就越好，但相应成本就越高，且长度越长。

过去多年，针对尺寸问题，在保证性能满足工程要求(S11≤-20dB)的前提下，世界各地的学者开发出各种双阶和单阶结构的扭波导。

对于双阶结构扭波导，较为典型的方案有双“Z”字形扭波导、双脊波导，虽然可以实现宽频带，但是相对于单阶结构扭波导而言，存在尺寸大且成本高的缺陷。

对于单阶结构扭波导，较为典型的方案有：“工”字形、双切角形、蝴蝶结形、双半圆柱形、纺锤形等。这几种单阶结构扭波导虽然能够解决厚度问题，但相对带宽依然不理想，在相对带宽要求更宽的场景应用受限。此外，现有单阶结构扭波导无一例外，均不能与输入矩形波导和输出矩形波导组成一个可一体化加工的部件，即单阶结构扭波导作为独立的一个器件，需配套若干结构紧固件，才能在结构上与端口两侧对接的矩形波导实现组装拼接，这不仅增加了成本和装配精度要求，还限制了其在部分场景的应用。

发明内容

针对传统技术方案(光滑变化扭波导和阶梯式变化扭波导)尺寸大、成本高的痛点，以及现有技术方案(双阶和单阶结构扭波导)应用局限性问题，又为追求更优的驻波带宽，本发明提供一种超宽带薄片式90°扭波导。

本发明采用的技术方案如下：

一种超宽带薄片式90°扭波导，其特征在于，所述90°扭波导为中心对称结构，其两端分别接极化正交的输入矩形波导和输出矩形波导；

所述90°扭波导在方波导的一对角处切除尺寸相同的小长方体，在另一对角处切除尺寸相同的大长方体；所述小长方体垂直于方波导中轴线的任意横截面为边长为L2的正方形，所述大长方体垂直于方波导中轴线的任意横截面为边长为L1的正方形，且L2＜L1。

进一步地，所述方波导的边长a等于输入矩形波导和输出矩形波导的长边a，输入矩形波导的短边b等于输出矩形波导的短边b，方波导的高h为四分之一中频点波导波长。

进一步地，在大长方体邻近方波导中轴线的棱处再向内切除一个三棱柱状凹陷，该三棱柱垂直于方波导中轴线的的任意横截面为尺寸相同的等腰三角形；切除三棱柱能够进一步优化驻波带宽。

进一步地，所述等腰三角形的顶角θ＜90°；两个三棱柱之间的间距D的取值范围为D＜0.707×(a-2×L1)；一般而言，当只有θ和D为变量，其余参量为定值时，θ和D越小(且不为0)时，驻波带宽越优异；但θ和D不能过小，需兼顾实际加工工艺和结构强度。

进一步地，所述90°扭波导除去小长方体邻近方波导中轴线的棱外，其他平行于方波导中轴线的棱均倒圆角处理，方便加工实现。

进一步地，当所述90°扭波导在输出端口/输入端口的投影均位于输入矩形波导和输出矩形波导投影的范围内，则所述90°扭波导能够与输入矩形波导和输出矩形波导一体化加工成型。

本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导是在方波导基础上演变而成的，外形呈“X”型，当其两端分别接两极化正交的矩形波导时，其对角线分别与所述两矩形波导的宽边夹角为45°。本发明之所以能获得优异的驻波带宽，主要得益于切除了4个长方体和2个三棱柱，此举不但增加了谐振点，而且抑制了高次模，从而大大地拓展了带宽。一般而言，当L2≥(a-b)/2、L1＞L2、θ＜90°、D＜0.707×(a-2×L1)时，驻波带宽更佳。根据现有加工工艺水平，本发明结构更适用于W-Band(75GHz～110GHz)及以下的微波毫米波频段，在适用频段均能获得非常宽的驻波带宽，具体性能表现见本文实施例。

本发明的有益效果如下：

(1)性能优异，在实施例1中，其S11≤-20dB的相对带宽能高达71.92％，而S11≤-25dB的相对带宽不低于67.12％，优于现有单阶结构方案。

(2)结构简单、尺寸紧凑，其厚度为四分之一中频点波导波长，与现有单阶结构技术方案相当，比传统方案尺寸紧凑。

(3)如图5所示，当本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导的横截面(实线)外形尺寸不超出两极化正交的矩形波导横截面(虚线)合并的区域时，该超宽带薄片式90°扭波导便可与两极化正交的矩形波导组成一个可一体化加工的新90°扭波导，即三者可一体化加工成型，无需紧固件进行组装拼接。本发明可一体化加工这一特点，是现有单阶结构方案所不具有的功能，不但能有效解决微波毫米波电路或器件中布局紧凑的痛点，而且在大幅降低成本的同时，仍能实现优异的性能——实施例3中的可一体化加工新90°扭波，其S11≤-20dB的相对带宽也能高达45.70％，优于现有单阶结构方案的性能。

综上，本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导，其特点为：结构简单紧凑，性能优异，以及在特定条件下能与两极化正交的矩形波导组成一个一体化加工的90°扭波导等，而其中“超宽带”和“一体化加工”两大特点，是本发明对传统技术和现有技术的一种重要突破，有较大的工程价值。

附图说明

图1本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导的腔体部分仿真模型三维图、俯视图(倒角前)和俯视图(倒角后)。

图2本发明实施例1的结构模型装配图。

图3本发明实施例1的S11仿真结果图。

图4本发明实施例2的S11仿真结果图。

图5本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导与输入矩形波导和输出矩形波导三者可否一体化加工的条件示意图。

图6一体化加工的90°扭波导、输入矩形波导和输出矩形波导的三维结构示意图。

图7一体化加工的90°扭波导、输入矩形波导和输出矩形波导的CNC加工顺序示意图。

图8毫米波阵列天线采用多级E-T功分馈电结构的示意图。

图9现有技术中针对图8问题采用的高成本方案的示意图。

图10针对图8存在的问题，采用本发明提供的技术方案的示意图。

图11本发明实施例3的S11仿真结果图。

图12本发明实施例3的S21仿真结果图。

附图标号说明：101.90°扭波导，201.输入矩形波导，202.输出矩形波导。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例以及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在实施例1：图1为本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导的腔体部分的仿真模型三维图、和倒角前后的俯视图。如图1所示，本实施例提供的一种超宽带薄片式90°扭波导外形呈“X”型，其结构尺寸如图1(a)和图1(c)所示：a＝22.86mm，b＝10.16mm，h＝6.976mm，L1＝7.7mm，L2＝4.678mm，D＝2.644mm，θ＝29.086°，R1＝1.5mm，R2＝0.19mm。本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导结构紧凑，其厚度仅约为四分之一中频点波导波长。

图2为本发明实施例1的结构模型装配图。当本发明超宽带薄片式90°扭波导101的两端分别接极化正交输入矩形波导201和输出矩形波导202时，其对角线分别与所述两矩形波导的宽边夹角为45°。在实施例1中，超宽带薄片式90°扭波导101的作用是：将从输入矩形波导201传至输出矩形波导202的电磁波(通常为TE10模)的电磁方向旋转90°，而不改变电磁波的传播方向。

图3为本发明实施例1的S11仿真结果图。由图3可知，实施例1的性能十分优异，能实现超宽带，其S11≤-20dB的相对带宽高达71.92％(7.4GHz～15.71GHz)，而S11≤-25dB的相对带宽不低于67.12％(7.8GHz～15.68GHz)。

在实施例2：部分系统对90°扭波导的S11有更高的要求(如S11≤-30dB)。通过优化实施例1的尺寸得到的实施例2可以满足上述要求。在实施例2中，超宽带薄片式90°扭波导的结构尺寸如下：a＝22.86mm，b＝10.16mm，h＝6.52mm，L1＝6.945mm，L2＝4.676mm，D＝2.344mm，θ＝23.716°，R1＝1.5mm，R2＝0.188mm。图4为本发明实施例2的S11仿真结果图，由图4可知，实施例2性能十分优异，能实现超宽带，其S11≤-30dB的相对带宽高达56.46％(8.39GHz～14.99GHz)。

实施例3：如图5所示，当本发明提供的超宽带薄片式90°扭波导的横截面(实线)外形尺寸不超出两极化正交的矩形波导横截面(虚线)合并的区域时，该超宽带薄片式90°扭波导便可与两极化正交的矩形波导组成一个可一体化加工的90°扭波导，即三者可一体化加工成型，无需紧固件进行组装拼接。图6给出了三者一体化加工的三维结构示意图。

一体化加工成型工艺可以有多种，包括但不限于以下工艺：CNC机加工、压铸成型、3D打印等。图7给出了CNC机加工顺序示意图，加工顺序可以但不限于以下顺序：(a)→(b)→(c)→(d)，其中(a)(b)为正面加工示意图，(c)(d)为背面加工示意图。本发明能够一体化加工这一特点，是现有单阶结构方案所不具有的功能。

图8给出了毫米波阵列天线采用多级E-T功分馈电时遇到的问题——E-T功分并馈网络布局困难，即使技术上能布局，在局部位置的金属壁太薄，容易变形，有时甚至无法加工。

图9为针对图8问题的现有技术方案，即用现有单阶扭波导中的极化转换器，利用垂直空间，解决馈网布局困难的痛点。但该技术方案的不足较为明显，就是需要多加一层金属来实现，不但增加物料和加工成本，而且增加装配精度要求。

针对图8存在的问题，可采用本发明提供的一体化加工90°扭波导给予完美解决，如图10所示。图10中的一体化加工90°扭波导，亦是本发明的实施例3。如图10所示，其不仅能解决图7的痛点，而且仅用三层金属层即可实现，比现有技术方案少一层，能有效降低物料和加工成本。在实施例3中，a＝3.8mm，b＝1.88mm，h＝1.185mm，L1＝1.263mm，L2＝0.96mm，D＝0.564mm，θ＝32.939°，R1＝0.35mm，R2＝0.02mm。

图11和图12分别为本发明实施例3的S11和S21仿真结果图。由图11和图12可知，实施例3中的一体化加工90°扭波导性能优异，其S11≤-20dB的相对带宽也能高达45.70％(48.62GHz～77.42GHz)，优于现有单阶结构方案的性能。

由实施例3可知，所述一体化加工90°扭波导不仅能有效解决微波毫米波电路或器件中布局紧凑的痛点，并大幅降低成本，而且仍能实现十分优异的性能。所述可一体化加工新90°扭波导的有益效果可以但不限于在本发明实施例3中体现。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种超宽带薄片式90°扭波导，其特征在于，所述90°扭波导为中心对称结构，其两端分别接极化正交的输入矩形波导和输出矩形波导；

所述90°扭波导在方波导的一对角处切除尺寸相同的小长方体，在另一对角处切除尺寸相同的大长方体；所述小长方体垂直于方波导中轴线的任意横截面为边长为L2的正方形，所述大长方体垂直于方波导中轴线的任意横截面为边长为L1的正方形，且L2＜L1。

2.如权利要求1所述的一种超宽带薄片式90°扭波导，其特征在于，所述方波导的边长a等于输入矩形波导和输出矩形波导的长边a，输入矩形波导的短边b等于输出矩形波导的短边b，方波导的高h为四分之一中频点波导波长。

3.如权利要求2所述的一种超宽带薄片式90°扭波导，其特征在于，在大长方体邻近方波导中轴线的棱处再向内切除一个三棱柱状凹陷，该三棱柱垂直于方波导中轴线的的任意横截面为尺寸相同的等腰三角形。

4.如权利要求3所述的一种超宽带薄片式90°扭波导，其特征在于，所述等腰三角形的顶角θ＜90°；两个三棱柱之间的间距D的取值范围为D＜0.707×(a-2×L1)。

5.如权利要求2或4所述的一种超宽带薄片式90°扭波导，其特征在于，所述90°扭波导除去小长方体邻近方波导中轴线的棱外，其他平行于方波导中轴线的棱均倒圆角处理。

6.如权利要求2或4所述的一种超宽带薄片式90°扭波导，其特征在于，当所述90°扭波导在输出端口/输入端口的投影均位于输入矩形波导和输出矩形波导投影的范围内，则所述90°扭波导与输入矩形波导和输出矩形波导一体化加工成型。

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