CN112072250A - 基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导‑同轴转换结构，包括波导金属壳体，波导金属壳体为长方体，波导金属壳体的前端开有矩形的波导口，波导金属壳体的后端设置有短路背板，波导金属壳体内设置有波导腔。波导金属壳体的右侧壁上设置有同轴电缆接头，同轴电缆接头包括曲臂探针，曲臂探针外包裹有绝缘介质层，绝缘介质层外包裹有外导体层。曲臂探针的左端延伸至波导腔内弯折后连接到波导腔的顶壁上。本发明实现了波导窄边耦合完成波导‑同轴转换的目的，突破传统探针耦合仅能从波导长臂馈入的限制；设计了曲臂探针结构，利用多级曲臂探针与波导腔内壁短接产生新的谐振腔，利用谐振时的电场分布特点完成波导场向同轴场的转换。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波导-同轴转换结构领域，具体涉及基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构。
背景技术
与微波频段不同，太赫兹频段缺乏高功率的源，多种传输线及天线因损耗大难以在太赫兹频段得以应用，因此天线类型仍以喇叭天线为主，传输线以波导为主，如何实现波导馈电天线与太赫兹电路的高效互连一直是太赫兹***设计的关键技术之一。
太赫兹波导-同轴转换器是连接波导馈电喇叭天线与收发前端太赫兹电路的关键器件，其能量转化效率和工作带宽直接影响了整个***的工作性能。由于太赫兹频段波长短，电路器件的尺寸很小，不易实施复杂的波导-同轴转换结构，且由于同轴线衰减大，不宜随意增加同轴线长度以满足结构上的互连。因此，对太赫兹波导-同轴转换器要求具备结构简单、易加工、易安装、低损耗、宽带宽的特点。
传统的波导-同轴转换器采用悬置探针耦合的方式实现波导与同轴线的能量转换，基于波导长臂，通过伸入波导腔体的同轴内针完成电场耦合，探针位于电场最强处且针头方向保持与电场方向一致。当采用同样方法从波导窄壁耦合时，由场耦合的正交性可知波导与同轴的能量转换将完全失效，这已经得到充分的验证。由于受长边耦合的限制，当需要阵列天线与前端电路同轴互连时，波导同轴转换器的结构限制了整体***的结构设计。以波导馈电角锥喇叭天线为例，多天线的阵列间距与波长相关不可调整，波导口与波导口之间的距离在太赫兹频段非常紧密，在狭小空间内安装波导-同轴转换器基本不可行。若仅能从波导长臂耦合，则将大大限制阵列天线排布的自由性，使得结构设计变得异常困难和复杂。
对于一维阵列天线，由于阵元间距与波长相关，在太赫兹频段无法实现在阵元间的微小空间内安装同轴电缆接头。因此，当波导口长边并行排列时，需要采用扭波导将其翻转到垂直方向上，增加结构复杂性以方便同轴电缆接头的安装。
一维角锥喇叭天线阵列及波导同轴转换结构如图1所示。喇叭天线采用矩形波导馈电，波导与同轴线的转换结构包括一段扭波导、反射腔，以及同轴电缆接头。扭波导将波导长臂从垂直方向翻转至水平方向，从而预留出足够的设计空间方便安装同轴电缆接头。同轴电缆接头外导体通过法兰盘与反射腔外壁相接，内导体伸入反射腔内一段长度，以探针耦合的方式实现波导和同轴的能量转换。这种转换结构基于波导长臂探针耦合，利用扭波导改变波导口排列方向，从而避免了同轴电缆接头安装时的空间限制问题。但是，扭波导的加工对于太赫兹频段是不小的难题，现有微加工工艺对于复杂结构的加工能力和加工精度都十分有限，因此该方法距离实际生产应用还有很长一段距离。
因此，需要寻找基于波导窄壁耦合的馈电方法，实现波导与同轴的互连，突破波导长臂耦合对阵列排布、***结构、加工工艺等的多重限制。
发明内容
针对现有的太赫兹波导-同轴转换器存在的问题，本发明提供了基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，解决了传统探针耦合方法仅能从波导长臂耦合的限制，具有结构简单、带宽宽的特点，可以有效降低***结构的复杂性，降低***噪声。
本发明采用以下的技术方案：
基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，包括波导金属壳体，波导金属壳体为长方体，波导金属壳体的前端开有矩形的波导口，波导金属壳体的后端设置有短路背板，波导金属壳体内设置有波导腔；
所述波导金属壳体的右侧壁上设置有同轴电缆接头，同轴电缆接头包括曲臂探针，曲臂探针外包裹有绝缘介质层，绝缘介质层外包裹有外导体层，外导体层的端部固定连接在波导金属壳体的右侧壁上；
所述曲臂探针的右端与绝缘介质层和外导体层的右端面齐平，曲臂探针的左端延伸至波导腔内弯折后连接到波导腔的顶壁上。
优选地，所述同轴电缆接头设置在波导金属壳体的右侧壁的后侧，同轴电缆接头靠近短路背板。
优选地，所述同轴电缆接头与波导金属壳体的右侧壁的连接处开有与绝缘介质层直径相同的通孔，所述曲臂探针穿过通孔伸入波导腔内。
优选地，所述曲臂探针的左端在波导腔内向上弯折成台阶状，并电连接到波导腔的顶壁上，曲臂探针与波导腔的顶壁的连接处为短路点。
优选地，所述绝缘介质层和外导体层均为圆柱形。
优选地，曲臂探针与短路背板的距离为设计中心频率对应的空间波长的四分之一。
本发明具有的有益效果是：
本发明提出的基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，实现了波导窄边耦合完成波导-同轴转换的目的，突破传统探针耦合仅能从波导长臂馈入的限制；设计了曲臂探针结构，利用多级曲臂探针与波导腔内壁短接产生新的谐振腔，利用谐振时的电场分布特点完成波导场向同轴场的转换；与现有技术相比，本发明不需要复杂的扭波导结构，解决了工艺能力限制带来的特殊波导加工困难问题；本发明可以将波导与同轴直接相连，不需要多级转换结构，缩小了整体尺寸，且避免了多级转换带来的***噪声问题。本发明仅需对曲臂探针进行精确控制，其它部分采用传统工艺即可解决，具有成本低、结构简单、易于实现的优势，适用于多通道太赫兹收发***的前端，连接波导传输线与同轴线。
附图说明
图1为现有的基于波导长边耦合的波导-同轴转换器的结构示意图。
图2为基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构的示意图。
图3为基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构的纵向剖视图。
图4为基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构的横向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
结合图2至图4，基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，包括波导金属壳体1，波导金属壳体为长方体，波导金属壳体的前端开有矩形的波导口2，波导金属壳体的后端设置有短路背板3，波导金属壳体内设置有波导腔4。
波导腔的前端口就为矩形的波导口2，波导口能连接波导传输线。
波导金属壳体的右侧壁上设置有同轴电缆接头，同轴电缆接头为50Ω标准同轴接头。
同轴电缆接头包括曲臂探针5，曲臂探针外包裹有绝缘介质层6，绝缘介质层外包裹有外导体层7，外导体层的端部固定连接在波导金属壳体的右侧壁上，即整个同轴电缆接头是设置在波导金属壳体的窄壁上。
绝缘介质层和外导体层均为圆柱形。
曲臂探针5的右端与绝缘介质层和外导体层的右端面齐平，曲臂探针的左端延伸至波导腔内弯折后连接到波导腔4的顶壁上。
同轴电缆接头设置在波导金属壳体的右侧壁的后侧，同轴电缆接头靠近短路背板。
同轴电缆接头与波导金属壳体的右侧壁的连接处开有与绝缘介质层直径相同的通孔8，曲臂探针穿过通孔并伸入波导腔内。
曲臂探针的左端在波导腔内向上弯折成台阶状9，并电连接到波导腔的顶壁上，如图3，曲臂探针与波导腔的顶壁的连接处为短路点10。
具体的，曲臂探针与短路背板的距离为设计中心频率对应的空间波长的四分之一。
本发明利用波导场TE10模式与同轴TEM模式的电场分布特点，利用曲臂探针结构与短接方式激发新的谐振腔。短接耦合探针将矩形波导腔分为上下两部分，在分隔出的腔体中完成二次谐振，谐振时的场分布特点与同轴TEM模式的场方向一致，从而完成波导模式向同轴模式的转换。利用多级结构，调整曲臂探针各部分的长短与粗细，可以产生相邻的谐振频率点，从而获得频带的展宽。
本发明仅需对曲臂探针进行精确控制，其它部分采用传统工艺即可解决，具有成本低、结构简单、易于实现的优势，适用于多通道太赫兹收发***的前端，连接波导传输线与同轴线。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，其特征在于，包括波导金属壳体，波导金属壳体为长方体，波导金属壳体的前端开有矩形的波导口，波导金属壳体的后端设置有短路背板，波导金属壳体内设置有波导腔；
所述波导金属壳体的右侧壁上设置有同轴电缆接头，同轴电缆接头包括曲臂探针，曲臂探针外包裹有绝缘介质层，绝缘介质层外包裹有外导体层，外导体层的端部固定连接在波导金属壳体的右侧壁上；
所述曲臂探针的右端与绝缘介质层和外导体层的右端面齐平，曲臂探针的左端延伸至波导腔内弯折后连接到波导腔的顶壁上。
2.根据权利要求1所述的基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，其特征在于，所述同轴电缆接头设置在波导金属壳体的右侧壁的后侧，同轴电缆接头靠近短路背板。
3.根据权利要求1所述的基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，其特征在于，所述同轴电缆接头与波导金属壳体的右侧壁的连接处开有与绝缘介质层直径相同的通孔，所述曲臂探针穿过通孔伸入波导腔内。
4.根据权利要求1所述的基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，其特征在于，所述曲臂探针的左端在波导腔内向上弯折成台阶状，并电连接到波导腔的顶壁上，曲臂探针与波导腔的顶壁的连接处为短路点。
5.根据权利要求1所述的基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，其特征在于，所述绝缘介质层和外导体层均为圆柱形。
6.根据权利要求1所述的基于波导窄壁曲臂同轴探针的太赫兹波导-同轴转换结构，其特征在于，曲臂探针与短路背板的距离为设计中心频率对应的空间波长的四分之一。
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