CN117117452A - 一种用于脊波导互连的扭波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于脊波导互连的扭波导，涉及波导技术领域，包括第一脊波导、第二脊波导和变换波导；所述变换波导一端的接口与所述第一脊波导一端的接口连接，所述变换波导另一端的接口与所述第二脊波导一端的接口连接；所述第一脊波导和第二脊波导的中心电磁场极化方向呈角度设置。本发明提供的用于脊波导互连的扭波导，设计用于脊波导微波系统中互联的紧凑型扭波导，传输路径短、体积、重量小，具有损耗小、超宽带、不易引起高次模的产生的电性能。
Description
技术领域
本发明涉及波导技术领域，特别是涉及一种用于脊波导互连的扭波导。
背景技术
波导传输线简称波导，是一种广泛使用的三维传输线，由平行平板波导传输线演变而来，一般为封闭的金属腔，根据其横截面的形状可分为矩形波导、圆波导、脊波导等。随着宽带、超宽带微波系统的发展，脊波导由于其主模工作频带较宽的特性，被越来越多宽带、超宽带微波系统使用，脊波导可看作由矩形波导把宽壁弯折而成，其主模式场分布与矩形波导的主模相似，为TE10模式。脊波导与相同尺寸的矩形波导比较主要优点是：主模波的截止波长较长，对于相同的工作波长，波导尺寸可以缩小，主模和其它高次模截止波长相隔较远，因此主模工作频带较宽，可以达到数个倍频程，例如标准。而矩形波导主模带宽无法覆盖倍频程，因此在超宽带高频率、高功率系统中，主要采用脊波导作为主传输线。工程中，单脊波导和双脊波导使用比较多。
在微波毫米波波导系统中，微波元件、组件之间通过波导连接，由于布局、装配原因，会遇到两个不同元件、组件之间的波导端口出现偏移情况，最常见的就是波导端口极化旋转的情况，扭波导是一种广泛运用的功能器件，通过扭波导可以实现特殊角度的电磁场极化，将不同端口极化的波导器件集成在一起。传统扭波导制作方法大多采用机械式转动加工将单截直波导做成连续式光滑型扭波导，这种方式实现的扭波导由于其波导横截面连续变化，为保证较宽的工作频带，连续式光滑型扭波导长度较长（一般为两个波导波长）、体积较大，并且对加工精度要求较高。
阶梯型扭波导与光滑型连续型扭波导一样可以实现波导中内电磁波极化方向的改变，但是阶梯型扭波导的设计可以有效的克服光滑型扭波导尺寸较大、不易加工等缺点。阶梯型扭波导是采用几段规则的厚度为四分之一波导波长的矩形波导段在轴向按一定规律旋转不同的角度排列而成，且级联的矩形波导段越多性能越优越，它的极化面转动是跳跃的而不是连续的，与光滑型扭波导相比在减小体积与重量上具有较大的优势。
相比于光滑扭波导与阶梯扭波导的设计，宽带紧凑型扭波导的尺寸更加紧凑，一般为通带中心的四分之一波导波长。宽带紧凑型扭波导是在单片式以及阶梯式扭波导的基础上改进而来，与单片式扭波导的区别在于设计的宽带紧凑型扭波导的波导结构不再是规则的常规波导而是轴向旋转了的形状不规则的非常规波导，例如：双脊波导、切角波导。宽带紧凑型扭波导长度一般为通带中心的四分之一波导波长，与连续式光滑型扭波导和阶梯扭波导相比缩小了尺寸，具有较高的应用价值。
现有紧凑型扭波导几乎是针对矩形波导的使用设计，对于脊波导微波系统中的使用场景，大多还是采用连续式光滑型扭波导，为了保证很好的性能（更宽的工作带宽、更低的插入损耗和驻波），连续式光滑型的传输距离很长（至少为几个波长）、体积、重量很大，并且插入损耗也会增加。而且由于脊波导是超宽带多倍频程带宽，其波导横截面形状较为复杂，连续式光滑型在制作过程中，加工会引起波导横截面的变化，会引起高次模的产生，恶化扭波导的性能。而现有技术中缺乏针对脊波导使用场景的紧凑型扭波导。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于脊波导互连的扭波导，以解决上述现有技术存在的问题，设计用于脊波导微波系统中的紧凑型扭波导，传输路径短、体积、重量小，具有损耗小、超宽带、不易引起高次模的产生的电性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种用于脊波导互连的扭波导，包括第一脊波导、第二脊波导和变换波导；所述变换波导一端的接口与所述第一脊波导一端的接口连接，所述变换波导另一端的接口与所述第二脊波导一端的接口连接；所述第一脊波导和第二脊波导的中心电磁场极化方向呈角度设置。
可选的，所述第一脊波导包括第一脊波导第一接口和第一脊波导第二接口，所述第二脊波导包括第二脊波导第一接口和第二脊波导第二接口，所述变换波导包括变换波导第一接口和变换波导第二接口；所述第一脊波导第二接口和变换波导第一接口连接，所述第二脊波导第二接口和变换波导第二接口连接。
可选的，所述第一脊波导和第二脊波导均为标准双脊波导直波导。
可选的，所述第一脊波导和第二脊波导均为非标准双脊直波导；所述第一脊波导第一接口和第二脊波导第一接口为标准双脊波导口，所述第一脊波导第二接口和第二脊波导第二接口为非标准双脊波导口。
可选的，所述第一脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第一脊波导第一接口的双脊脊背间距，所述第二脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第二脊波导第一接口的双脊脊背间距；所述双脊脊背高度随着传输方向呈逐渐降低的连续变化。
可选的，所述第一脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第一脊波导第一接口的双脊脊背间距，所述第二脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第二脊波导第一接口的双脊脊背间距；所述双脊脊背高度随着传输方向呈逐渐降低的阶梯变化。
可选的，所述变换波导为横截面随电磁场传输方向不变的波导。
可选的，所述变换波导为一体成型的第一矩形波导、第二矩形波导、第三矩形波导和第四矩形波导交叠形成，并且交叠的位置合适，以保证交叠位置形成的交叠矩形尺寸不为0，所述第一矩形波导的第一个角与所述第二矩形波导的第一个角交叠，所述第二矩形波导的第二个角与所述第三矩形波导的第一个角交叠，所述第三矩形波导的第二个角与所述第四矩形波导的第一个角交叠；所述第二矩形波导和所述第三矩形波导的尺寸均分别小于所述第一矩形波导和第四矩形波导的尺寸；为了获得优良的性能，一般来说第二矩形矩形波导、第三矩形矩形波导对应的尺寸比较接近，第一矩形矩形波导、第四矩形矩形波导对应的尺寸比较接近，且第二矩形矩形波导、第三矩形矩形波导对应的尺寸小于第一矩形矩形波导、第四矩形矩形波导对应的尺寸。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的用于脊波导互连的扭波导，适用于脊波导微波系统中的紧凑型扭波导，相比与现有的光滑连续型扭波导技术方案相比，具有传输路径短、体积、重量小特点；具有超宽带多倍频程工作特性；结构简单易加工，不易引起高次模的产生，损耗小、驻波小，性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明第一脊波导展开示意图；
图2为本发明变换波导展开示意图；
图3为本发明第二脊波导展开示意图；
图4为本发明用于脊波导互连的扭波导正视示意图；
图5为本发明第一/第二脊波导的脊背高度连续变化示意图；
图6为本发明第一/第二脊波导的脊背高度阶梯变化示意图；
图7为本发明变换波导横截面示意图；
图8为本发明变换波导横截面的各个矩形尺寸示意图；
附图标记说明：1-第一脊波导，101-第一脊波导第一接口，102-第一脊波导第二接口，2-第二脊波导，201-第二脊波导第一接口，202-第二脊波导第二接口，3-变换波导，301-变换波导第一接口，302-变换波导第二接口，3001第一矩形波导，3002-第二矩形波导，3003-第三矩形波导，3004-第四矩形波导。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于脊波导互连的扭波导，以解决上述现有技术存在的问题，设计用于脊波导微波系统中的紧凑型扭波导，传输路径短、体积、重量小，具有损耗小、超宽带、不易引起高次模的产生的电性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种用于脊波导互连的扭波导，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，包括第一脊波导1、第二脊波导2和变换波导3，变换波导3为横截面随电磁场传输方向不变的波导，变换波导3主要实现脊波导的波导主模模式电磁波从输入脊波导到输出脊波导低损耗、低反射、超宽频带微波信号传输，从而实现极化转换；第一脊波导1、第二脊波导2均为直波导；变换波导3一端的接口与第一脊波导1一端的接口连接，变换波导3另一端的接口与第二脊波导2一端的接口连接；第一脊波导1和第二脊波导2的中心电磁场极化方向呈角度设置，该角度一般为90°，也可以为其他值的度数。相比现有的光滑连续型扭波导技术，本发明传输路径短、体积、重量小；具有超宽带多倍频程工作特性；结构简单易加工，不易引起高次模的产生，损耗小、驻波小，性能优异。
为了便于连接和安装，设计时使得第一脊波导1包括第一脊波导第一接口101和第一脊波导第二接口102，第二脊波导2包括第二脊波导第一接口201和第二脊波导第二接口202，变换波导3包括变换波导第一接口301和变换波导第二接口302；第一脊波导第二接口102和变换波导第一接口301连接，第二脊波导第二接口202和变换波导第二接口302连接。
于其中一个实施例中，第一脊波导1和第二脊波导2均为标准双脊波导直波导，例如:WRD180主模工作频段为18-40GHz、WRD500主模工作频段为5-18GHz，此时共作带宽可达倍频程；于另一个实施例中，为进一步扩展工作带宽，实现多个倍频程工作，第一脊波导1和第二脊波导2均为非标准双脊直波导；第一脊波导第一接口101和第二脊波导第一接口201为标准双脊波导口，用于对外互联，第一脊波导第二接口102和第二脊波导第二接口202为非标准双脊波导口，为了降低波导主模截止频率附近的波导阻抗，实现多倍频程超宽带阻抗匹配，此时第一脊波导第二接口102的双脊脊背间距小于第一脊波导第一接口101的双脊脊背间距，第二脊波导第二接口202的双脊脊背间距小于第二脊波导第一接口201的双脊脊背间距；此时双脊脊背高度随着传输方向呈逐渐降低的连续变化或阶梯变化。
如图7和图8所示，变换波导3横截面可以看做作四个等长度的矩形波导边角交叠重合而成，包括一体成型的第一矩形波导3001、第二矩形波导3002、第三矩形波导3003和第四矩形波导3004交叠形成，从横截面形状可以看出：第一矩形波导3001、第四矩形波导3004其中一个角分别与第二矩形波导3002、第三矩形波导3003的其中一个角交叠，第二矩形波导3002和第三矩形波导3003的一个角交叠，交叠位置处形成了虚拟的第五、第六、第七交叠矩形，第五、第六、第七交叠矩形实际不存在，此处为了方便分析陈述而虚拟引出。
第一矩形波导3001、第二矩形波导3002、第三矩形波导3003和第四矩形波导3004以及第五交叠矩形、第六交叠矩形和第七交叠矩形对应的边长分别为a1*b1，a2*b2，a3*b3，a4*b4，a5*b5，a6*b6，a7*b7，对应输入输出端口对应的脊波导尺寸不同，上述矩形的尺寸不同，但是，为了获得优良的性能，一般来说第二矩形波导3002、第三矩形波导3003对应的尺寸a2*b2、a3*b3 比较接近，第三矩形波导3003、第四矩形波导3004对应的尺寸a3*b3、a4*b4比较接近；为了获得优良的性能，一般来说第二矩形波导3002、第三矩形波导3003对应的尺寸a2*b2、a3*b3 小于第三矩形波导3003、第四矩形波导3004对应的尺寸a3*b3、a4*b4；第一矩形波导3001、第二矩形波导3002、第三矩形波导3003和第四矩形波导3004对应的角交叠的位置合适，以保证形成第五、第六、第七交叠矩形，保证a5，b5，a6，b6，a7的值均大于0。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个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。
Claims (8)
1.一种用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：包括第一脊波导、第二脊波导和变换波导；所述变换波导一端的接口与所述第一脊波导一端的接口连接，所述变换波导另一端的接口与所述第二脊波导一端的接口连接；所述第一脊波导和第二脊波导的中心电磁场极化方向呈角度设置。
2.根据权利要求1所述的用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：所述第一脊波导包括第一脊波导第一接口和第一脊波导第二接口，所述第二脊波导包括第二脊波导第一接口和第二脊波导第二接口，所述变换波导包括变换波导第一接口和变换波导第二接口；所述第一脊波导第二接口和变换波导第一接口连接，所述第二脊波导第二接口和变换波导第二接口连接。
3.根据权利要求1所述的用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：所述第一脊波导和第二脊波导均为标准双脊波导直波导。
4.根据权利要求2所述的用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：所述第一脊波导和第二脊波导均为非标准双脊直波导；所述第一脊波导第一接口和第二脊波导第一接口为标准双脊波导口，所述第一脊波导第二接口和第二脊波导第二接口为非标准双脊波导口。
5.根据权利要求4所述的用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：所述第一脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第一脊波导第一接口的双脊脊背间距，所述第二脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第二脊波导第一接口的双脊脊背间距；所述双脊脊背高度随着传输方向呈逐渐降低的连续变化。
6.根据权利要求4所述的用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：所述第一脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第一脊波导第一接口的双脊脊背间距，所述第二脊波导第二接口的双脊脊背间距小于第二脊波导第一接口的双脊脊背间距；所述双脊脊背高度随着传输方向呈逐渐降低的阶梯变化。
7.根据权利要求1所述的用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：所述变换波导为横截面随电磁场传输方向不变的波导。
8.根据权利要求1所述的用于脊波导互连的扭波导，其特征在于：所述变换波导为一体成型的第一矩形波导、第二矩形波导、第三矩形波导和第四矩形波导交叠形成，所述第一矩形波导的第一个角与所述第二矩形波导的第一个角交叠，所述第二矩形波导的第二个角与所述第三矩形波导的第一个角交叠，所述第三矩形波导的第二个角与所述第四矩形波导的第一个角交叠；所述第二矩形波导和第三矩形波导的尺寸均分别小于第一矩形波导和第四矩形波导的尺寸。
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| YANG CHEN等: "A Compact ±45° Ridge Waveguide Twist for W-band Horn Antenna", 《2022 CROSS STRAIT RADIO SCIENCE & WIRELESS TECHNOLOGY CONFERENCE》, pages 1 - 2 * |
| 尤清春: "一种紧凑型的宽频带单脊波导功分器", 《电子元件与材料》, vol. 37, no. 2, pages 50 - 54 * |
| 王海等: "小型化宽带纺锤形90°扭波导设计", 《信息工程大学学报》, vol. 22, no. 2, pages 147 - 150 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117117452B (zh) | 2023-12-22 |
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Legal Events
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