一種極化可控的大功率過模微波彎頭的制作方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種極化可控的大功率過模微波彎頭，屬于大功率微波傳輸器件技術(shù)領(lǐng)域。該彎頭外部整體結(jié)構(gòu)是兩端向外對(duì)稱延伸的90°彎曲矩形殼體，內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)包括：90°彎曲方波導(dǎo)、分別與90°彎曲方波導(dǎo)兩端依次連通的第二過渡段、橢圓波導(dǎo)、第一過渡段以及圓波導(dǎo)，所有內(nèi)部腔體連接處平滑過渡且該彎頭兩端對(duì)稱。本發(fā)明在滿足高功率微波傳輸系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎和極化改變的應(yīng)用要求前提下，盡可能的減少傳輸系統(tǒng)中功能器件的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的緊湊化程度、傳輸效率和模式純度。并且提出的大功率彎頭在引導(dǎo)波束高效率轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)波束線極化和圓極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
【專利說明】
一種極化可控的大功率過模微波彎頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于大功率微波傳輸器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種極化可控的大功率過模微波彎頭。
【背景技術(shù)】
[0002]在大功率微波傳輸系統(tǒng)中，為了有效引導(dǎo)波束傳播、減少系統(tǒng)體積，不可避免要使用到過模圓波導(dǎo)彎頭來改變波束的傳播方向。由于波導(dǎo)彎頭的引入，破壞傳輸線的均勻性，容易引入寄生模式，并降低傳輸效率。如何通過一定的技術(shù)手段壓制寄生模式的出現(xiàn)，并保持良好的傳輸效率是大功率過模波導(dǎo)彎頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是其主要的難點(diǎn)。TElll模是圓波導(dǎo)的基模，在彎曲圓波導(dǎo)中容易轉(zhuǎn)換成TMo,i，TE2,!模。因此，直接采用圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎的方式難以實(shí)現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)彎傳輸。文章“Ka波段高功率斜角彎頭的設(shè)計(jì)”(電子科技大學(xué)的吳澤威等人于2013年發(fā)表于《強(qiáng)激光與粒子束》第25卷，第五期)中提出了一種適合于高功率波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)彎即斜角彎頭設(shè)計(jì)方法，通過引入模式變換段和移相段的方式將工作模式轉(zhuǎn)換成具有高斯分布特性的混合模式，在場(chǎng)分布最集中的區(qū)域利用鏡面反射波束實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。斜角彎頭具有傳輸效率高、模式純度高等特點(diǎn)。但是，由于模式轉(zhuǎn)換段和移相段的使用，使得整個(gè)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)體積龐大，不滿足大功率微波系統(tǒng)的緊湊化要求。
[0003]在通信、導(dǎo)航、深空探測(cè)、電子對(duì)抗等方面，圓極化天線有著廣泛的應(yīng)用。圓極化器能將線極化信號(hào)轉(zhuǎn)換為圓極化信號(hào)，是圓極化天線的重要組成部分。因此，圓極化器是實(shí)現(xiàn)高功率微波系統(tǒng)應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵器件。TElll模式由于存在極化簡并特性，是高功率微波圓極化器主要的工作模式。目前，已有的圓波導(dǎo)TE1;1模圓極化器主要有螺釘調(diào)節(jié)型、介質(zhì)插板型、橢圓波導(dǎo)型等。雖然這些圓極化器均能在有效的實(shí)現(xiàn)微波極化方式的改變，但是這類器件的使用一方面會(huì)增加大功率微波系統(tǒng)的傳輸損耗，降低傳輸效率;另一方面會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的體積，提尚造價(jià)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了能滿足高功率微波傳輸系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎和極化改變的應(yīng)用要求前提下，盡可能的減少傳輸系統(tǒng)中功能器件的數(shù)量，提高系統(tǒng)的緊湊化程度、傳輸效率和模式純度，本發(fā)明提出了一種極化可控的大功率過模微波彎頭。提出的大功率彎頭可以在引導(dǎo)波束高效率轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)波束線極化和圓極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]—種極化可控的大功率過模微波彎頭，外部整體結(jié)構(gòu)是兩端向外對(duì)稱延伸的90°彎曲矩形殼體，內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)包括:90°彎曲方波導(dǎo)、分別與90°彎曲方波導(dǎo)兩端依次連通的第二過渡段、橢圓波導(dǎo)、第一過渡段以及圓波導(dǎo)，所有內(nèi)部腔體連接處平滑過渡且該彎頭兩端對(duì)稱。
[0007]所述第一過渡段為半徑從圓形漸變?yōu)闄E圓的過渡腔體段。
[0008]所述第二過渡段為半徑沿軸向從橢圓漸變?yōu)榉叫蔚倪^渡腔體段。
[0009]所述波導(dǎo)彎頭兩端設(shè)有凹凸法蘭，方便與傳輸線系統(tǒng)準(zhǔn)確連接。
[0010]所述橢圓波導(dǎo)的長軸和短軸分別與方波導(dǎo)的邊長平行。
[0011]進(jìn)一步地，該彎頭設(shè)置有冷卻裝置。
[0012]所述冷卻裝置為貼合于整體結(jié)構(gòu)外壁的兩端有進(jìn)、出水孔的冷卻槽，水流從其中一孔流入，另一孔流出。
[0013]所述冷卻槽為關(guān)于波導(dǎo)彎頭上下兩部分對(duì)稱設(shè)置的矩形槽，通過螺釘固定于彎頭上下的外壁上。
[0014]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，且對(duì)稱性良好，可以采用普通銅材或鋁材加工。
[0015]為了方便加工，彎頭可被剖分成兩個(gè)對(duì)稱部分進(jìn)行加工，然后通過銷釘定位和螺絲固定的方式來盡可能的減少安裝誤差。波導(dǎo)彎頭工作時(shí)，TEl，1模由彎頭的端口進(jìn)入彎頭內(nèi)部腔體中，依次經(jīng)過圓波導(dǎo)，第一過渡段，橢圓波導(dǎo)，第二過渡段，到達(dá)90°方形彎波導(dǎo)后，再經(jīng)過與前面對(duì)稱的結(jié)構(gòu)輸出。具體地，TEi’ I模在彎頭內(nèi)部的工作原理如下:線極化TE1 ’ !模經(jīng)過圓波導(dǎo)到達(dá)第一過渡段后，由于橢圓波導(dǎo)的長、短軸不同，兩個(gè)正交的線極化波通過相同傳輸路徑時(shí)的相速不同，這樣可以通過調(diào)整橢圓波導(dǎo)尺寸，包括其長度及其長、短軸，來調(diào)節(jié)兩個(gè)正交分量的相移差;TE14模到達(dá)90°方形彎波導(dǎo)后，轉(zhuǎn)化成了極化簡并的TEo,i模和TE1,ο模，相較于圓波導(dǎo)來說，被激勵(lì)起的非工作模式在方波導(dǎo)中更容易被控制，通過調(diào)整方波導(dǎo)口徑a和90°彎波導(dǎo)的半徑，可以提高90°轉(zhuǎn)彎部分的效率及輸出模式的純度；由于過渡段的不連續(xù)性容易激勵(lì)起高次模式，因此，在本發(fā)明中，需要對(duì)兩段過渡段長度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，來減少工作模式的反射及非工作模式的產(chǎn)生，保證兩個(gè)極化方向的幅值相等，同時(shí)還能對(duì)模式的相差進(jìn)行小范圍的調(diào)整。從而可實(shí)現(xiàn)TE1;1模高效率、極化可控的轉(zhuǎn)彎。
[0016]本發(fā)明的有益效果如下:
[0017](I)本發(fā)明采用了橢圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的過渡段結(jié)構(gòu)，通過選擇波導(dǎo)截面的軸比和各部分波導(dǎo)的長度，就能夠控制波束的極化方式，有利于實(shí)現(xiàn)線極化波和圓極化波的相互轉(zhuǎn)化。
[0018](2)本發(fā)明采用方形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，可以減少工作模式向其他模式的轉(zhuǎn)化，從而提高波束的傳輸效率及輸出模式的純度。
[0019](3)本發(fā)明在引導(dǎo)波束傳播的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)波束極化方式的改變。同時(shí)具備波導(dǎo)彎頭和圓極化器的功能，有利于減少大功率傳輸系統(tǒng)的損耗，提高傳輸系統(tǒng)的緊湊化程度。
[0020](4)本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明帶冷卻裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明外部結(jié)構(gòu)與冷卻裝置的相對(duì)位置關(guān)系示意圖(從上往下可依次組合成圖1所示的結(jié)構(gòu))。
[0023]圖3為本發(fā)明的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)(剖視圖)。
[0024]圖4為第一過渡段和第二過渡段的結(jié)構(gòu)示意圖(第一段:圓到橢圓過渡段;第二段:橢圓到正方形過渡段)。
[0025 ]圖5為本發(fā)明實(shí)施案例一的TEi, I模式兩個(gè)極化方向的傳輸幅值曲線。
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施案例一的TEi, I模式兩個(gè)極化方向的相差曲線。
[0027]圖7為本發(fā)明實(shí)施案例二的TE1,i模式兩個(gè)極化方向的傳輸幅值曲線。
[0028]圖8為本發(fā)明實(shí)施案例二的TE1;1模式兩個(gè)極化方向的相差曲線。
[0029]附圖標(biāo)號(hào)說明:
[0030]圖1中:1-1.冷卻裝置，a.冷卻裝置進(jìn)水口，b.冷卻裝置出水口，c.固定彎頭上下兩個(gè)對(duì)稱部分的螺釘孔。
[0031]圖2中:a，b與圖1中的相對(duì)應(yīng)，d為固定冷卻槽的螺釘孔。
[0032]圖3中:3-1.凹凸法蘭，3-2.圓波導(dǎo)，A.第一過渡段，3-3.橢圓波導(dǎo)，B第二過渡段，3-4.90°彎曲方波導(dǎo)。
[0033]圖4中:A、B是對(duì)應(yīng)圖3中A、B的腔體結(jié)構(gòu)模型。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但是本發(fā)明的實(shí)施方式和要求保護(hù)的范圍并不局限于此。
[0035]—種極化可控的大功率過模微波彎頭，結(jié)構(gòu)如圖1所示，外部整體結(jié)構(gòu)是兩端向外對(duì)稱延伸的90°彎曲矩形殼體，內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)包括:90°彎曲方波導(dǎo)、分別與90°彎曲方波導(dǎo)兩端依次連通的第二過渡段、橢圓波導(dǎo)、第一過渡段以及圓波導(dǎo)，所有內(nèi)部腔體連接處平滑過渡且該彎頭兩端對(duì)稱。
[0036]該90°彎曲方波導(dǎo)3-4的特征在于:所述90°彎曲方波導(dǎo)的橫截面為正方形，波導(dǎo)按著中心光滑連續(xù)的軸線彎曲。在本實(shí)施例中，該部分我們以常曲率彎曲軸線為例進(jìn)行說明，該部分同樣可以采用多種不同的變曲率軸線來實(shí)現(xiàn)。
[0037]具體地，本發(fā)明在按如圖3所示的結(jié)構(gòu)工作時(shí)，TE1;1模能量從法蘭3-1饋入，進(jìn)入彎頭內(nèi)部腔體中。根據(jù)該模式的極化簡并特性，該入射波的電場(chǎng)經(jīng)過圓波導(dǎo)3-2，到達(dá)第一段過渡段A后，在橢圓波導(dǎo)3-3中傳播時(shí)，兩者的傳播常數(shù)不相等，因此會(huì)出現(xiàn)相位差;這兩個(gè)分量經(jīng)過第二段過渡段B，到達(dá)90°方形彎波導(dǎo)3-4中，轉(zhuǎn)化成了極化簡并的TEoll模和TE1,ο模，最后再經(jīng)過與前面對(duì)稱的結(jié)構(gòu)輸出。本發(fā)明外部整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，外壁有冷卻裝置1-1，冷卻水從進(jìn)水口 a端口進(jìn)入，吸收彎頭所產(chǎn)生的熱量，然后從出水口 b端口流出，本發(fā)明外部結(jié)構(gòu)與冷卻裝置的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。
[0038]下面給出了具體實(shí)施例一、實(shí)施例二的仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果:
[0039]在實(shí)施例一中，圓波導(dǎo)口徑為，工作頻段為13GHz?15GHz。本實(shí)施例中，整個(gè)彎頭的縱向長度為210.5mm。其中，如圖3所示的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)中:第一過渡段A的長度為5 Imm，橢圓波導(dǎo)3-3長度為38.5mm，橢圓波導(dǎo)3-3長半軸為16mm，短半軸為12.5mm，第二過渡段B長度為70mm，90°彎曲方波導(dǎo)3-4的曲率半徑為51mm，方波導(dǎo)邊長為22.78mm。上述是在仿真結(jié)果中選取的相差接近90°情況下的尺寸，TE1;1模經(jīng)過該尺寸下的彎頭后，兩個(gè)極化方向的TE1;1模式將出現(xiàn)約90°左右的相差，可以實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)彎(假設(shè)輸入的是線極化TE1;1模式)。
[0040]本實(shí)施例TE1;1彎頭輸出模式的幅值隨頻率變化關(guān)系如圖5所示，圖中，工作頻率在13.6GHz到14.7GHz范圍內(nèi)，兩個(gè)極化方向的幅值在0.99以上的帶寬均在IGHz以上，在13GHz?15GHz的范圍內(nèi)，輸出的兩個(gè)模式之間的最大幅值差小于0.02，其中在13.86GHz和14.22GHz時(shí)，兩者的幅值完全相等;輸出端口處兩個(gè)模式的相差隨頻率變化的關(guān)系如圖6所示，圖中，工作頻率在14GH左右的范圍內(nèi)，TE1,!相差接近90°，在13.9GHz處，相差為90°。
[0041 ]實(shí)施例二與實(shí)施例一不同的是在如圖3所示的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)中，橢圓波導(dǎo)3-3長度變?yōu)?2mm，第二過渡段B的長度變?yōu)?2mm，其余尺寸均與實(shí)施例一相同，本實(shí)施例中整個(gè)彎頭的縱向長度為256mm JElll模經(jīng)過該尺寸下的彎頭后，兩個(gè)極化方向TE1;1模式將產(chǎn)生約180°左右的相差。這樣彎頭就可以實(shí)現(xiàn)極化不變的轉(zhuǎn)彎，即包括線極化到線極化、圓極化到圓極化的轉(zhuǎn)彎。
[0042]本實(shí)施例TE1;1彎頭的輸出模式幅值隨頻率的變化關(guān)系如圖7所示，圖中，工作頻率在13.628GHz到14.662GHz范圍內(nèi)，兩個(gè)極化方向的幅值在0.99以上的帶寬均在IGHz以上，在13GHz?15GHz的范圍內(nèi)，輸出的兩個(gè)模式之間的最大幅值差小于0.0I，其中在14GHz、13.2GHz和14.3GHz時(shí)，兩者的幅值完全相等;輸出端口處兩個(gè)模式的相差隨頻率變化的關(guān)系如圖8所示，圖中，工作頻率在13.8GHz左右的范圍內(nèi)，TE1;1相差為接近180°，在13.8GHz處，相差為180°。
[0043]綜上所述，本發(fā)明提供了一種極化可控的大功率過模微波彎頭的設(shè)計(jì)方案:通過采用方形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎方式，來提高轉(zhuǎn)彎效率及模式的純度;通過采用橢圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的過渡段，控制彎頭中波束的相位關(guān)系，達(dá)到控制波束極化方式的目的。本發(fā)明可以在引導(dǎo)波束轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了波束極化方式的轉(zhuǎn)變，結(jié)合了彎頭和圓極化器的功能，減少了系統(tǒng)器件的數(shù)量，提高了傳輸系統(tǒng)的效率，更加易于系統(tǒng)的可集成化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:外部整體結(jié)構(gòu)是兩端向外對(duì)稱延伸的90°彎曲矩形殼體，內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)包括:90°彎曲方波導(dǎo)、分別與90°彎曲方波導(dǎo)兩端依次連通的第二過渡段、橢圓波導(dǎo)、第一過渡段以及圓波導(dǎo)，所有內(nèi)部腔體連接處平滑過渡且該彎頭兩端對(duì)稱。2.如權(quán)利要求1所述的一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:所述第一過渡段為半徑從圓形漸變?yōu)闄E圓的過渡腔體段。3.如權(quán)利要求1所述的一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:所述第二過渡段為半徑沿軸向從橢圓漸變?yōu)榉叫蔚倪^渡腔體段。4.如權(quán)利要求1所述的一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:所述波導(dǎo)彎頭兩端設(shè)有用于與傳輸線系統(tǒng)連接的凹凸法蘭。5.如權(quán)利要求1所述的一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:所述橢圓波導(dǎo)的長軸和短軸分別與方波導(dǎo)的邊長平行。6.如權(quán)利要求1所述的一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:該彎頭設(shè)置有冷卻裝置。7.如權(quán)利要求6所述的一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:所述冷卻裝置為貼合于整體結(jié)構(gòu)外壁的兩端有進(jìn)、出水孔的冷卻槽，水流從其中一孔流入，另一孔流出。8.如權(quán)利要求7所述的一種極化可控的大功率過模微波彎頭，其特征在于:所述冷卻槽為關(guān)于波導(dǎo)彎頭上下兩部分對(duì)稱設(shè)置的矩形槽，通過螺釘固定于彎頭上下的外壁上。
【文檔編號(hào)】H01P1/02GK105932373SQ201610362668
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】李 浩, 江翠玲, 吳澤威, 李天明
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)