一種金屬片高功率波導移相器的製造方法
2023-09-23 03:30:30
一種金屬片高功率波導移相器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種金屬片高功率波導移相器，包括矩形波導、金屬片、支撐杆、支撐座、螺杆和蓋板；所述支撐杆的兩個支撐腳穿過矩形波導的一側與設置在矩形波導腔體內的金屬片連接在一起，所述支撐座套在支撐杆上，蓋板通過螺釘固定設置在支撐座上，螺杆依次穿過蓋板和支撐座後通過螺紋與支撐杆連接在一起；所述螺杆與蓋板之間設置有軸承結構。與傳統的波導移相器相比，本發明中採用了金屬片使得波導能在0o～360o近似線性的相位變化，同時能避免在高功率環境工作下金屬片被擊穿的問題。
【專利說明】一種金屬片高功率波導移相器
【技術領域】
[0001]本發明涉及高功率微波【技術領域】，具體是指一種金屬片高功率波導移相器。
【背景技術】
[0002]目前高功率微波的一個重要發展需求是實現天線陣列的波束掃描，而移相器是實現陣列波束掃描的關鍵部件。目前，常規移相器主要有兩大類:半導體二級管移相器和鐵氧體移相器。常規移相器的峰值功率容量不超過IOOkW,而高功率微波的峰值功率不小於100MW,因此，常規移相器功率容量較小，不適宜用於高功率微波。
[0003]為此國內外研究單位對高功率微波移相器展開了研究，但這些研究成果離實際工程應用還有一定距離。例如西南交大提出高功率同軸插板式移相器，電子科大提出了高功率介質移相器，前者應用於高頻時有一定難度，後者在功率較高時存在介質沿面擊穿的問題。傳統的旋轉式移相器具有精度高的優點，但應用於高功率微波時，存在必需設計模式變換和旋轉關節，造成結構尺寸過大，難以應用的不足之處。採用對圓波導壓橢或伸縮波紋波導可以實現高功率微波相移。但這兩種技術路線均存在使用壽命過短的限制。可以通過電調可變電容調節波導一側光子晶體結構的特徵頻率實現相移，但光子晶體調節機構結構複雜，功率容量低，且要解決真空密封問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是利用矩形波導內引入金屬片產生微擾從而改變波導傳輸相位的原理，設計了金屬片高功率波導移相器。移相器由矩形波導、金屬片、支撐杆、金屬片移動機構和真空動密封結構組成；利用金屬片在波導中不同的位置對微波導波波長產生的變化不同的特點，通過沿波導寬邊移動金屬片，可以實現波導中傳輸微波相位的連續變化，通過合理設計金屬片的長度可以在波導內實現0°?360°近似線性的相位變化。通過對金屬片、支撐杆結構的優化設計，可實現較低的微波傳輸插入損耗，採用全金屬結構避免產生真空介質沿面擊穿。通過對移相器波導尺寸及金屬片的結構優化，可減少場強集中；同時設計真空動密封結構，採用真空絕緣技術，可實現高功率容量。利用本發明可以實現高功率波導天線陣列的移相功能，解決高功率微波陣列天線波束掃描的技術難題。
[0005]本發明採用的技術方案:一種金屬片高功率波導移相器，包括矩形波導、金屬片、支撐杆、支撐座、螺杆和蓋板；所述支撐杆的兩個支撐腳穿過矩形波導的一側與設置在矩形波導腔體內的金屬片連接在一起，所述支撐座套在支撐杆上，蓋板通過螺釘固定設置在支撐座上，螺杆依次穿過蓋板和支撐座後通過螺紋與支撐杆連接在一起；所述螺杆與蓋板之間設置有軸承結構。
[0006]在上述技術方案中，所述金屬片的兩端為劈尖漸變形狀。
[0007]在上述技術方案中，所述軸承結構與蓋板之間設置有密封圈，所述密封圈套在螺杆上。
[0008]在上述技術方案中，所述支撐座與支撐杆之間為密封真空結構。[0009]在上述技術方案中，所述矩形波導腔體、金屬片、支撐杆、支撐座、螺杆和蓋板均採用金屬材料製成。
[0010]在本方案中，金屬片高功率波導移相器可以工作在C，X，Ku波段。高功率微波從波導一端饋入後，微波在具有金屬片微擾的波導中傳輸，金屬片在波導中不同的位置會帶來不同的微波傳輸相位變化，通過合理設計波導、金屬片和支撐杆結構，可以實現低損高功率容量的移相功能。
[0011]本方案中，採用了高功率容量設計，為了實現移相器的高功率容量，採用了高真空絕緣技術。對於高功率微波，高真空絕緣的微波擊穿閾值最高。如果採用充SF6氣體實現高功率容量，當移動金屬片時，高氣壓會給傳動裝置帶來較大的摩擦阻力。
[0012]為了減小傳輸損耗，採用低介電常數的有機材料介質片更具優勢。但是在真空中，有機材料介質會放氣，影響真空度；同時真空中介質材料沿面會產生高功率微波擊穿。因此採用金屬片實現對波導中電磁場的微擾。
[0013]本方案中，波導的寬邊和窄邊尺寸對移相器的單位長度移相量有較大的影響，為實現較短的移相器長度下滿足O。?360°相移，要求波導寬邊和窄邊尺寸儘量小。但是寬邊尺寸小到接近截止波長的個半時，微波的傳輸損耗會快速增加。減小窄邊尺寸會減小功率容量。因此需要綜合考慮波導尺寸實現0°?360°相移。
[0014]在本方案中，金屬片的寬度和厚度對移相器單位長度的移相量、功率容量和插損有較大的影響。為提高移相器單位長度的移相量，要求金屬片的寬度要寬，厚度要厚。但是，增加金屬片的寬度會帶來較大的插損和較強的集中電場，較強的集中電場不利於功率容量設計。金屬片的兩端要進行漸變設計，以減小插損和防止場強集中。
[0015]在本方案中，支撐杆套在螺杆上，螺杆轉動帶動支撐杆以及安裝在支撐杆上的金屬片沿波導寬邊移動。設計雙杆結構，以利於移動金屬片時保持金屬片不偏移；同時通過優化雙杆間距可減小支撐杆對微波傳輸的反射。
[0016]在本方案中，螺杆與支撐座之間採用真空密封圈軸密封結構。為減小轉動摩擦，螺杆與蓋板及支撐座之間安裝軸承結構。
[0017]綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是:與傳統的波導移相器相比，本發明中採用了金屬片使得波導能在0°?360°近似線性的相位變化，同時能避免在高功率環境工作下金屬片被擊穿的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發明的結構剖視圖；
圖2是本發明中支撐杆的結構剖視圖；
圖3是本發明中支撐座的結構剖視圖；
圖4是相移量與金屬片移動距離關係；
圖5是相移量與波導寬邊尺寸關係；
圖6是不同金屬片位置的移相器反射係數；
圖7是波導移相器的功率損耗；
圖8是移相器的S11和S21曲線； 其中:1是密封圈，2是矩形波導，3是金屬片，4是支撐座，5是緊固螺杆，6是螺杆，7是軸承，8是O型密封圈，9是蓋板，10是支撐杆。
【具體實施方式】
[0019]本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0020]如圖1、圖2、圖3所示，本發明的結構主要由矩形波導2、金屬片3、支撐杆10和金屬片3移動機構組成；其中矩形波導的兩側設置有密封圈1，用於實現波導法蘭處的真空密封，；矩形波導2用來傳輸高功率微波，為了實現移相器所要求的波導尺寸，矩形波導的寬邊和窄邊尺寸將由標準波導過渡到移相器所要求的尺寸；在矩形波導2腔體內設置有一金屬片3，它是移相器的核心部件，用來在波導中產生微擾，實現傳輸微波相位的變化，金屬片3沿窄邊平行方向安放在支撐杆10上，通過轉動螺杆6實現支撐杆帶動金屬片沿波導寬邊方向前後移動，實現移相器中傳輸微波相位的連續變化；支撐座4其功能是作為安裝在螺杆6上的支撐杆10的密封腔室，實現支撐杆10的真空密封和為支撐杆10的前後移動提供動動空間；在支撐座4上通過緊固螺杆5連接有蓋板9，蓋板9主要是起防塵的作用；螺杆6穿過支撐座4並與支撐杆10進行螺紋連接，通過轉動螺杆6帶動支撐杆10進行上下移動；為減少螺杆6在轉動時的摩擦力，在螺杆6周圍設置有軸承7，為了進行密封，在軸承7與蓋板9之間設置有O型密封圈8，O型密封圈8套在螺杆6上。
[0021]現在以X波段(9.4GHz)為例，說明本發明的技術方案。波導移相器的的相移量與金屬片移動距離如圖4所示；波導寬邊尺寸與相移量的關係曲線如圖5所示。波導寬邊長度越小，相移量會越大，但寬邊太小不利於功率容量設計。
[0022]採用真空絕緣，波導移相器中功率容量可達20MW。
[0023]在波導中放置金屬片後，在不連續處將引起反射。為減小或抵消這種反射，金屬片末端將設計成一定形狀，常用的有兩種:一種是劈尖漸變，另一種是階梯過渡。從帶寬和功率容量兩方面考慮採用劈尖過渡具有優勢。
[0024]金屬支撐杆的直徑和間距將影響插損，同樣由於不同金屬片位置的導波波長不同，採用優化程序計算得到支撐杆的間距。圖6為引入劈尖漸變和金屬杆後不同金屬片位置的移相器反射係數Sn。反射係數均小於_20dB。
[0025]移相器的插損包含反射損耗和導體壁上的功率損耗。圖7是波導移相器的功率損耗。
[0026]移相器的帶寬受到波導內主模傳輸、金屬片尖劈和金屬支撐杆的影響，當傳輸頻率接近臨界頻率時，帶寬會相對變窄；金屬片尖劈和金屬支撐杆的匹配設計也會對帶寬有明顯的影響。圖8是不同頻率下S11和S21曲線。-20dB帶寬為9.2GHz?9.6GHz。
[0027]通過矢量網絡分析儀可測得移相器的移相曲線和插損。
[0028]通過本發明，就可以實現高功率微波移相功能。
[0029]本發明並不局限於前述的【具體實施方式】。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.一種金屬片高功率波導移相器，其特徵為包括矩形波導、金屬片、支撐杆、支撐座、螺杆和蓋板；所述支撐杆的兩個支撐腳穿過矩形波導的一側與設置在矩形波導腔體內的金屬片連接在一起，所述支撐座套在支撐杆上，蓋板通過螺釘固定設置在支撐座上，螺杆依次穿過蓋板和支撐座後通過螺紋與支撐杆連接在一起；所述螺杆與蓋板之間設置有軸承結構。
2.根據權利要求1所述的一種金屬片高功率波導移相器，其特徵為所述金屬片的兩端為劈尖漸變形狀。
3.根據權利要求1所述的一種金屬片高功率波導移相器，其特徵為所述軸承結構與蓋板之間設置有密封圈，所述密封圈套在螺杆上。
4.根據權利要求1或3所述的一種金屬片高功率波導移相器，其特徵為所述支撐座與支撐杆之間為密封真空結構。
5.根據權利要求1所述的一種金屬片高功率波導移相器，其特徵為所述矩形波導腔體、金屬片、支撐杆、支撐座、螺杆和蓋板均採用金屬材料製成。
【文檔編號】H01P1/18GK103915663SQ201410166366
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】廖勇, 徐剛, 謝平, 陳世韜, 施美友 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所