CN114883764A - 一种宽频带高功率微波移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频带高功率微波移相器,属于高功率微波器件技术领域。包括中心对称结构的金属腔体,金属腔体中四个金属片用来引导微波信号传输方向;两个矩形波导为微波信号的输入、输出端口;金属柱设置于金属底板上方,用于在上盖板转动过程中起到限位作用,防止上盖板转动过度,阻塞微波信号输入。还包括位于金属腔体上方且能够绕金属腔体的中心点O转动的上盖板,上盖板的矩形波导腔位于金属基板上方,两个圆弧金属片分别位于矩形波导腔的左右两侧,四个金属片用来引导微波信号传输方向,金属长杆位于金属基板的背面为上盖板的旋钮用于转动上盖板。本发明移相器兼具功率容量高、工作频带宽,相移量可随金属上盖板的转动角度线性调节。
Description
技术领域
本发明属于高功率微波器件技术领域,具体涉及一种宽频带高功率微波移相器。
背景技术
移相器是相控阵天线***的重要组件之一,在应用中起到波束指向控制和波束赋形等作用。高功率微波相控阵天线***对移相器的工作频率范围和功率容量提出了更高要求。根据实现方式划分,目前常用移相器主要分为3类,铁氧体移相器、介质加载移相器和机械式移相器等。其中,受介质材料击穿阈值限制,铁氧体移相器和介质加载移相器不适合应用于高功率微波领域。机械式移相器由于腔体内部无介质材料,可以实现较高的功率容量,受到高功率微波领域越来越多的关注。
在机械式移相器中,高功率微波领域常用的是矩形波导宽边可调移相器(Yang YM,Yuan C W,Cheng G X,et al.Ku-band rectangular waveguide wide side dimensionadjustable phase shifter[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2015,43(5):1666-1669.)和双圆偏振结构移相器(Chang C,Guo L,Tantawi S G,et al.A new compacthigh-power microwave phase shifter[J].IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,2015,63(6):1875-1882)。矩形波导宽边可调移相器是通过移动矩形波导侧壁金属板改变波导宽边长度进而实现移相;双圆偏振结构移相器是通过调节双圆偏振结构的滑动短路面位置实现移相。这两种移相器均具有较高的功率容量,但是存在两点不足:一是它们的相移量随调节距离均呈非线性变化,在实际使用中不便于相移量的高精度调节;二是它们的工作频率范围比较窄,一般仅有几百兆赫兹。
国防科技大学杨一明等设计了一种波导窄边裂缝电桥移相器。它是在3dB定向耦合器的基础上,在2、3端口加上短路活塞构成。通过同步推动两个短路活塞,在4端口实现0~360°的线性移相。中国人民解放军63660部队庄庆贺等在其申请的专利文献“一种高功率T型矩形波导微波移相器”中公开了一种通过移动拉伸金属板,使金属隔片两侧直波导的长度发生变化,进而改变微波传输距离,实现线性移相的T型矩形波导移相器。这两种移相器具有较高功率容量,相移量也随调节距离成线性变化,但不足之处在于它们仅在工作频率中心附近具有较低的***损耗,工作频率范围也比较窄。
发明内容
本发明目的在于公开一种宽频带高功率微波移相器,兼具功率容量高、工作频带宽,相移量可随金属上盖板的转动角度线性调节的宽频带高功率微波移相器。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种宽频带高功率微波移相器,包括金属腔体和上盖板;上盖板为金属材质,位于金属腔体上方且能够绕金属腔体的中心点O转动;
金属腔体为中心对称结构,包括金属底板,两个圆弧金属片、四个金属片,两个矩形波导和金属柱;
第一圆弧金属片与第二圆弧金属片将金属底板包围起来,三者共同形成移相器的腔体主体;第一圆弧金属片与第二圆弧金属片的圆弧内半径均为R1;
两个矩形波导为微波信号的输入、输出端口;
四个金属片用来引导微波信号传输方向,同时这些金属片均为圆弧倒角结构,用于降低移相器的反射损耗;第一金属片是由第一矩形波导上方的波导侧边与第一圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径为r2;第二金属片是由第二矩形波导下方的波导侧边与第二圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径为r2;第三金属片是由第一矩形波导下方的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r1,同时对第三金属片的末端作切削处理,使其能够紧密贴合上盖板的第三圆弧金属片的外壁;第四金属片是由第二矩形波导上方的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r1,同时对第四金属片的末端作切削处理,使其能够紧密贴合上盖板的第四圆弧金属片的外壁;
金属柱设置于金属底板上方,用于在上盖板转动过程中起到限位作用,防止上盖板转动过度,阻塞微波信号输入;
上盖板为中心对称结构,主要由金属基板,矩形波导腔,两个圆弧金属片,四个金属片,金属长杆构成;
其中矩形波导腔位于金属基板上方,用来连接移相器的输入和输出端口;第三圆弧金属片和第四圆弧金属片分别位于矩形波导腔的左右两侧,两者的圆弧外半径均为R2;
四个金属片用来引导微波信号传输方向,同时这些金属片均为圆弧倒角结构,能够降低移相器的反射损耗;第五金属片是由矩形波导腔左边的波导侧边与第三圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径为r3;同样的,第六金属片是由矩形波导腔右边的波导侧边与第四圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径也为r3;第七金属片是由矩形波导腔右边的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r4,同时对第七金属片的末端作切削处理,使其能够紧密贴合金属腔体的第一圆弧金属片的内壁;第八金属片是由矩形波导腔左边的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径也为r4,同时对第八金属片的末端作切削处理,使其能够贴合金属腔体的第二圆弧金属片的内壁;
金属长杆位于金属基板的背面,是上盖板的旋钮,通过拧转金属长杆能够转动上盖板,相移量随上盖板的转动角度成线性变化。
进一步的,移相器设计成E面或H面。
进一步的,金属柱设置为两个,第一金属柱与第二金属柱均位于金属底板上方,沿金属腔体的O点中心对称分布。
进一步的,为便于与微波***中其他波导器件相连接,第一矩形波导和第二矩形波导使用对应微波工作频段的标准波导。
本发明的有益效果:
1、本发明通过转动上盖板,改变微波传输距离,从而实现移相功能。相移量随金属上盖板的转动角度成线性变化,这种移相方式能够实现移相器相移量的高精度调节;
2、本发明的移相器内部无易击穿的介质材料,功率容量高,传输损耗小;
3、本发明移相器在波导弯折处采用圆弧倒角等渐变结构,不仅减小反射损耗,也拓宽了移相器的工作带宽,使其工作频率范围达到吉赫兹以上。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为图1的A切面剖视图;
图3为本发明的圆型底座结构示意图;
图4为本发明的金属上板结构示意图;
图5为本发明实施例的一种X波段宽频带高功率微波移相器不同转动角度下的传输特性仿真结果示意图;
图6为本发明实施例的一种X波段宽频带高功率微波移相器不同转动角度下的相位特性仿真结果示意图;
图7为本发明实施例的一种X波段宽频带高功率微波移相器的场强分布仿真结果示意图。
其中,1-金属腔体、2-上盖板、11-金属底板、12-第一圆弧金属片、13第二圆弧金属片、14-第一矩形波导、15-第二矩形波导、16-第一金属片、17-第二金属片、18-第三金属片、19-第四金属片、110-第一金属柱、111-第二金属柱111、21-金属基板、22-矩形波导腔22、23-第三圆弧金属片、24-第四圆弧金属片、25-第五金属片、26-第六金属片、27-第七金属片、28-第八金属片、29-金属长杆
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行详细的解释和说明,但本发明的保护范围不局限于以下。
一般而言,波导结构越复杂,传输微波的频带范围越窄,而采取倒角等方式对波导结构突变处作渐变处理,可以大大拓宽传输微波频带范围。同时传统移相器一般通过推拉波导端面实现相移变化,这种移相器需要提前为波导的移动端面预留空间,往往会增加移相器的尺寸。某些波导器件,如波导开关等,常采用旋转方式实现器件功能,这些器件易于实现小型化。因此综合上面两种思考方式,设计出这种可以通过旋转实现移相功能的宽频带高功率微波移相器。
如图1、图2所示,一种宽频带高功率微波移相器,整体由金属腔体1和上盖板2组成。上盖板2也是金属材质,位于金属腔体1上方,并且可以绕金属腔体1的中心点O转动。
如图3所示,金属腔体1为中心对称结构,主要由金属底板11,第一圆弧金属片12、第二圆弧金属片13,第一矩形波导14、第二矩形波导15,第一金属片16、第二金属片17、第三金属片18、第四金属片19四个金属片,第一金属柱110、第二金属柱111构成。金属底板11为金属腔体1的基板,第一圆弧金属片12与第二圆弧金属片13将金属底板11包围起来,三者共同形成移相器的腔体主体。第一圆弧金属片12与第二圆弧金属片13的圆弧内半径均为R1;第一矩形波导14、第二矩形波导15分别为微波信号的输入、输出端口;第一金属片16是由第一矩形波导14上方的波导侧边与第一圆弧金属片12相交处作倒圆角形成,倒角半径为r2;同样的,第二金属片17是由第二矩形波导15下方的波导侧边与第二圆弧金属片13相交处作倒圆角形成,倒角半径为r2;第三金属片18是由第一矩形波导14下方的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r1,同时对第三金属片18的末端作切削处理,使其能够紧密贴合上盖板2的第三圆弧金属片23的外壁。同样的,第四金属片19是由第二矩形波导15上方的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r1,同时对第四金属片19的末端作切削处理,使其能够紧密贴合上盖板2的第四圆弧金属片24的外壁。这四个金属片用来引导微波信号传输方向,同时这些金属片均为圆弧倒角结构,能够降低移相器的反射损耗;第一金属柱110与第二金属柱111均位于金属底板11上方,沿金属腔体1的O点中心对称分布,其主要功能是在上盖板2转动过程中起到限位作用,防止上盖板2转动过度,阻塞微波信号输入(也可只用一个金属柱作限位柱)。
如图4所示,上盖板2是本发明的核心部件,其也为中心对称结构,主要由金属基板21,矩形波导腔22,第三圆弧金属片23、第四圆弧金属片24,第五金属片25、第六金属片26、第七金属片27、第八金属片28四个金属片,金属长杆29构成。其中矩形波导腔22位于金属基板21上方,用来连接移相器的输入和输出端口;第三圆弧金属片23和第四圆弧金属片24分别位于矩形波导腔22的左右两侧,两者的圆弧外半径均为R2;第五金属片25是由矩形波导腔22左边的波导侧边与第三圆弧金属片23相交处作倒圆角形成,倒角半径为r3;同样的,第六金属片26是由矩形波导腔22右边的波导侧边与第四圆弧金属片24相交处作倒圆角形成,倒角半径也为r3;第七金属片27是由矩形波导腔22右边的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r4,同时对第七金属片27的末端作切削处理,使其能够紧密贴合金属腔体1的第一圆弧金属片12的内壁。同样的,第八金属片28是由矩形波导腔22左边的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径也为r4,同时对第八金属片28的末端作切削处理,使其能够贴合金属腔体1的第二圆弧金属片13的内壁。这四个金属片用来引导微波信号传输方向,同时这些金属片均为圆弧倒角结构,能够降低移相器的反射损耗;金属长杆29位于金属基板21的背面,是上盖板2的旋钮,通过拧转金属长杆29可以转动上盖板2。
为便于与微波***中其他波导器件相连接,本发明的第一矩形波导14、第二矩形波导15可以使用对应微波工作频段的标准波导。
本发明可以设计成E面或H面,其中E面是指移相器高度等于标准波导的宽边长度,移相器输入/输出端口宽度等于标准波导的窄边长度;H面结构正好相反,其移相器高度等于标准波导的窄边长度,移相器输入/输出端口宽度等于标准波导的宽边长度。E面和H面移相器各具特点,H面移相器具有更小的***损耗和更高的功率容量,但尺寸较大;E面移相器结构更加紧凑,尺寸一般仅为E面结构的1/2。可根据实际应用需求,选择合适的移相器结构。如相控阵天线***对移相器尺寸要求较高,因此可以选择E面移相器。
根据微波理论,矩形波导主模传输传播常数k与波导宽边长度a有关,可以表示为:
式中:λ0为空间波长。
移相器上盖板2绕中心点O转动时,传播常数没有变化,但是微波传播路径发生改变,微波传播路径变化量Δl与上盖板2转动角度Δθ的关系为:
Δl=Δθ(R1+R2) (2)
从式(3)可以看出,确定移相器的尺寸后,移相器的相位变化量随转动角度成线性变化。
本实施例还示例性的提供了一种上述宽频带高功率微波移相器的具体实现结构参数:
例如,设计一个应用于阵列天线***的移相范围为360°的X波段宽频带高功率微波移相器。考虑到该移相器应用于阵列天线***,所以选择E面移相器结构。根据工作频段,选择尺寸为22.86mm×10.16mm的BJ100标准波导作为移相器输入/输出波导,即a=22.86mm,b1=10.16mm。为便于仿真优化,移相器腔内其他窄边长度均选择为10.16mm,即b2=b3=10.16mm。R1选择为29.08mm,R2选择为18.92mm。经仿真优化后四个倒角半径分别为r1=16.5mm,r2=3mm,r3=3.5mm,r4=14mm。
确定移相器尺寸后,图5和图6分别给出移相器金属上板不同转动角度下的传输特性和相位特性。由图可知,在8.2GHz~12.4GHz频率范围内,移相器的S21均大于0.99,说明该移相器功率传输效率大于98%的频带宽度达到4.2GHz。并且移相器金属上板从0°转至80°过程中,整个频段的相位线性变化量均大于360°,满足设计要求。在该移相器输入端口注入峰值功率为1W的微波信号,移相器内部电场分布如图7所示。由图可知,移相器腔内最大电场幅值约为3649V/m。已知大气条件下的电场击穿阈值约为30KV/cm,因此该移相器在大气条件下的功率容量约为0.68MW,满足一般高功率微波应用的功率容量要求。对于更高功率容量需求的高功率微波应用,可通过给移相器抽真空或填充惰性气体,进一步提高其功率容量。由以上实施实例可以看出,本发明提供了一种宽频带高功率微波移相器。这种移相器具有功率容量高、工作频带宽,同时相移量可随金属上板的转动角度线性调节等优点,在高功率微波相控阵天线等领域具有较高实用价值。
以上仅是本发明的一种优选实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种宽频带高功率微波移相器,其特征在于,包括金属腔体和上盖板;上盖板为金属材质,位于金属腔体上方且能够绕金属腔体的中心点O转动;
所述金属腔体为中心对称结构,包括金属底板,两个圆弧金属片、四个金属片,两个矩形波导和金属柱;
第一圆弧金属片与第二圆弧金属片将金属底板包围起来,三者共同形成移相器的金属腔体的主体;第一圆弧金属片与第二圆弧金属片的圆弧内半径均为R1;
两个矩形波导为微波信号的输入、输出端口;
四个金属片用来引导微波信号传输方向,同时这些金属片均为圆弧倒角结构,用于降低移相器的反射损耗;第一金属片是由第一矩形波导上方的波导侧边与第一圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径为r2;第二金属片是由第二矩形波导下方的波导侧边与第二圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径为r2;第三金属片是由第一矩形波导下方的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r1,同时对第三金属片的末端作切削处理,使其能够紧密贴合上盖板的第三圆弧金属片的外壁;第四金属片是由第二矩形波导上方的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r1,同时对第四金属片的末端作切削处理,使其能够紧密贴合上盖板的第四圆弧金属片的外壁;
金属柱设置于金属底板上方,用于在上盖板转动过程中起到限位作用,防止上盖板转动过度,阻塞微波信号输入;
所述上盖板为中心对称结构,主要由金属基板,矩形波导腔,两个圆弧金属片,四个金属片,金属长杆构成;
其中矩形波导腔位于金属基板上方,用来连接移相器的输入和输出端口;第三圆弧金属片和第四圆弧金属片分别位于矩形波导腔的左右两侧,两者的圆弧外半径均为R2;
四个金属片用来引导微波信号传输方向,同时这些金属片均为圆弧倒角结构,能够降低移相器的反射损耗;第五金属片是由矩形波导腔左边的波导侧边与第三圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径为r3;同样的,第六金属片是由矩形波导腔右边的波导侧边与第四圆弧金属片相交处作倒圆角形成,倒角半径也为r3;第七金属片是由矩形波导腔右边的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径为r4,同时对第七金属片的末端作切削处理,使其能够紧密贴合金属腔体的第一圆弧金属片的内壁;第八金属片是由矩形波导腔左边的波导侧边作倒圆角并延伸形成,倒角半径也为r4,同时对第八金属片的末端作切削处理,使其能够贴合金属腔体的第二圆弧金属片的内壁;
金属长杆位于金属基板的背面,是上盖板的旋钮,通过拧转金属长杆能够转动上盖板,所述移相器的相移量随上盖板的转动角度成线性变化。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带高功率微波移相器,其特征在于,所述移相器设计成E面或H面。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽频带高功率微波移相器,其特征在于,所述金属柱设置为两个,第一金属柱与第二金属柱均位于金属底板上方,沿金属腔体的O点中心对称分布。
4.根据权利要求3所述的一种宽频带高功率微波移相器,其特征在于,为便于与微波***中其他波导器件相连接,第一矩形波导和第二矩形波导使用对应微波工作频段的标准波导。
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