基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器.pdf

《基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器.pdf（12页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910303975.4 (22)申请日 2019.04.16 (71)申请人 中国人民解放军国防科技大学 地址 410073 湖南省长沙市开福区德雅路 109号 (72)发明人 袁成卫余龙舟张强孙云飞 郝冬青许亮 (74)专利代理机构 湖南兆弘专利事务所(普通 合伙) 43008 代理人 陈晖 (51)Int.Cl. H01P 1/18(2006.01) (54)发明名称 基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式 移相器 (57)摘要 本发明公开了一种基于矩形波导窄边缝隙 电桥。

2、的旋转调节式移相器， 目的是解决现有移相 器相位调节速度受限， 输出相位存在增大和恢复 两个过程的问题。 本发明由矩形波导窄边缝隙电 桥、 两个相位调节臂构成； 相位调节臂由线转圆 极化器和旋转关节构成； 矩形波导窄边缝隙电桥 由四个端口， 四路微波传输通道和中央耦合区构 成； 每个线转圆极化器由注入端口， 圆波导， 两个 波导脊和末端端口组成； 旋转关节由圆柱形底板 和窄金属板构成， 旋转关节可绕对称轴旋转， 两 个旋转关节初始状态存在角度差。 绕同一个方向 同步旋转两个旋转关节， 本发明能实现单调线性 相位调节， 能应用于目标快速跟踪系统， 且旋转 调节相位的方式相比滑动调节相位的方式， 。

3、相位 调节速度更快。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 109994803 A 2019.07.09 CN 109994803 A 1.一种基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器， 其特征在于基于矩形波导窄 边缝隙电桥的旋转调节式移相器由矩形波导窄边缝隙电桥(1)、 第一相位调节臂(2)和第二 相位调节臂(3)构成； 第一相位调节臂(2)与矩形波导窄边缝隙电桥的第三端口(13)相连， 第二相位调节臂(3)与矩形波导窄边缝隙电桥(1)的第四端口(14)相连； 第一相位调节臂 (2)由第一线转圆极化器(21)和第一旋转关节(22)构成； 第二相位调节臂(3)由第二线转圆 极化器(31。

4、)和第二旋转关节(32)构成； 第一线转圆极化器(21)和第二线转圆极化器(31)结 构完全相同， 第一旋转关节(22)和第二旋转关节(32)结构完全相同； 微波由矩形波导窄边 缝隙电桥第一端口(11)注入， 由矩形波导窄边缝隙电桥的第二端口(12)输出； 矩形波导窄边缝隙电桥(1)是由金属材料制成的空腔， 由第一端口(11)、 第二端口 (12)、 第三端口(13)、 第四端口(14)四个端口， 第一微波传输通道(15)、 第二微波传输通道 (16)、 第三微波传输通道(18)、 第四微波传输通道(19)四路微波传输通道， 和中央耦合区 (17)构成； 第一端口(11)、 第二端口(12)、。

5、 第三端口(13)、 第四端口(14)均为矩形波导， 四个 端口的矩形波导的内腔的宽边长度均为a， 窄边长度均为b； 第一微波传输通道(15)和第二 微波传输通道(16)的两条轴线之间的垂直距离为h， 中央耦合区(17)的长度为L1， 第三微波 传输通道(18)和第四微波传输通道(19)的轴线的水平距离为L； 第一线转圆极化器(21)由注入端口(211)， 圆波导(212)， 第一波导脊(213)， 第二波导 脊(214)和末端端口(215)组成； 注入端口(211)由金属封口， 中心留有矩形缺口与矩形波导 窄边缝隙电桥的第三端口(13)相连， 矩形缺口宽边长度为a， 窄边长度为b； 圆波导(。

6、212)的 内圆直径为R； 第一波导脊(213)与第二波导脊(214)形状结构完全相同， 两个波导脊关于z 轴对称； 末端端口(215)与第一旋转关节(22)相连； 第一波导脊(213)与第二波导脊(214)形状像一个马鞍， 波导脊的脊背的长度为d2， 波导 脊的脊腹长度为d1； 第一波导脊(213)和第二波导脊(214)的背部与圆波导(212)内壁接触； 连接两个波导脊脊腹面中心的线段PP在x-o-y平面上的投影OQ与x轴的夹角为 45 ， 坐 标原点O位于注入端口(211)的中心； 第一旋转关节(22)由圆柱形底板(221)和窄金属板(222)构成， 窄金属板(222)焊接在 圆柱形底板(。

7、221)中央； 窄金属板(222)从第一线转圆极化器的末端端口(215)插入第一线 转圆极化器的圆波导(212)内， 圆柱形底板(221)将第一线转圆极化器的末端端口(215)封 口； 第一旋转关节(22)可绕对称轴即z轴旋转； 第一旋转关节(22)和第二旋转关节(32)在初始状态下， 窄金属板(222)和第二旋转关 节(32)的窄金属板之间存在一个夹角， 此夹角命名为第一旋转关节(22)和第二旋转关节 (32)的初始状态的角度差， 大小为。 2.如权利要求1所述的基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器， 其特征在于 所述矩形波导窄边缝隙电桥(1)、 圆波导(212)的金属壁厚度为T， T。

8、1.5mm。 3.如权利要求1所述的基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器， 其特征在于 所述矩形波导的内腔的宽边长度a满足 /2a ， 窄边长度b满足b /2， 为微波在自由空间 中的波长； 第一微波传输通道(15)和第二微波传输通道(16)的两条轴线之间的垂直距离h 满足 h+aR 0/3.41，0为圆极化TE11模式在圆波导内传 输的波导波长。 6.如权利要求1所述的基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器， 其特征在于 所述第一波导脊(213)与第二波导脊(214)的尺寸d1和d2以及第一波导脊(213)与第二波导 脊(214)之间的距离w即连接两个波导脊顶面中心的线段PP的长度。

9、通过电磁仿真软件优化 得到， 优化的目的是使圆极化器注入线极化的TE11模式后， 输出为圆极化的TE11模式， 圆极 化TE11模式的轴比为1。 7.如权利要求6所述的基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器， 其特征在于 所述第一波导脊(213)与第二波导脊(214)之间的距离w满足 0/2.61w 0/3.41且wR/2， 厚度w12mm。 9.如权利要求1所述的基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器， 其特征在于 所述窄金属板(222)的长度s 0/4， 其中 0为圆极化TE11模式在圆波导内传输的波导波长， 宽度等于R， 厚度w2满足1mmw2L2a,h为第一微波传输通道(15)。

10、和第二微波传输通道 (16)的两条轴线之间的垂直距离， a为矩形波导的内腔的宽边长度。 权利要求书 2/2 页 3 CN 109994803 A 3 基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器 技术领域 0001 本发明涉及微波器件领域， 尤其是一种具有连续线性相位调节能力的基于矩形波 导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器。 背景技术 0002 高功率微波(High-Power-Microwave， 缩写为HPM)一般是指频率在300MHz到 300GHz、 峰值功率大于100MW或平均功率大于1MW的强电磁辐射。 高功率微波的应用多种多 样， 主要包括： 高功率脉冲雷达， 应用于宽频带下精确分辨。

11、目标； 高能粒子射频加速器， 应用 于高能物理、 核物理研究； 基于电子回旋共振机制对受控热核等离子体进行加热及高功率 微波武器等领域。 0003 微波移相器是微波、 毫米波技术领域中一种常见的器件， 在雷达系统、 通信系统、 电子对抗系统等各个领域具有广泛的应用， 微波移相器的优劣会对这些系统性能产生重要 影响。 常规波导式移相器， 如压缩波导式移相器， 加载介质旋转式移相器等， 由于功率容量 低的问题， 难以在高功率微波领域应用。 矩形波导窄边缝隙电桥移相器和矩形波导窄边可 调式移相器采用全金属结构， 满足功率容量的要求； 但是这两种移相器采用推拉扼流塞或 者金属板的方式来调节相位， 这种。

12、滑动式机械调节相位方式的调节速度慢， 难以在一些快 速跟踪系统中获得应用； 这种推拉扼流塞或者金属板移相器的相位调节如图1(a)所示， 纵 坐标表示移相器的相位输出， 横坐标表示相位调节周期， 在前半个周期内， 推拉矩形波导窄 边或者扼流活塞从初始位置到最大偏移， 输出相位的变化为从0度到360度， 在后半个周期， 调整矩形波导窄边尺寸或者扼流活塞从最大偏移位置恢复到初始位置时， 相位从360度恢 复到0度， 在有限的尺寸空间内， 不能形成单调的线性相位调节。 即在同一个周期内， 移相器 的输出相位有一个增大和下降的过程， 理想的状态是如图1(b)所示， 当相位调节达到360度 时， 移相器的。

13、工作状态与相位为0度时的工作状态一致， 这样就避免了相位下降的调节过 程， 在移相器的结构变化一个周期内， 实际实现了两个周期的相位调节， 有利于应用到快速 跟踪系统中。 0004 因此， 在满足功率容量的要求下， 如何提供具有更快相位调节速度， 并可以实现如 图1(b)所示的相位调节过程， 一直是本领域研究的热点问题。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题是解决现有的滑动式机械调节移相器相位调节速度受 限， 输出相位存在增大和恢复两个过程的问题， 提供一种通过机械旋转圆形关节来实现单 调相位调节的基于矩形波导窄边缝隙电桥的旋转调节式移相器。 0006 本发明的技术方案是： 0007 本。

14、发明由矩形波导窄边缝隙电桥、 第一相位调节臂和第二相位调节臂构成。 第一 相位调节臂与矩形波导窄边缝隙电桥的第三端口相连， 第二相位调节臂与矩形波导窄边缝 隙电桥的第四端口相连。 第一相位调节臂由第一线转圆极化器和第一旋转关节构成； 第二 说明书 1/5 页 4 CN 109994803 A 4 相位调节臂由第二线转圆极化器和第二旋转关节构成。 第一线转圆极化器和第二线转圆极 化器结构完全相同； 第一旋转关节和第二旋转关节结构完全相同。 微波由矩形波导窄边缝 隙电桥第一端口注入， 由矩形波导窄边缝隙电桥的第二端口输出。 0008 矩形波导窄边缝隙电桥是由金属材料制成的空腔， 金属壁厚为T(T1。

15、.5mm)。 矩形 波导窄边缝隙电桥的第一端口、 第二端口、 第三端口、 第四端口均为矩形波导， 四个端口的 矩形波导的内腔的宽边长度均为a， 窄边长度均为b， 矩形波导窄边缝隙电桥的腔金属壁厚 为T(T1.5mm)。 0009 矩形波导窄边缝隙电桥由第一端口、 第二端口、 第三端口、 第四端口四个端口， 第 一微波传输通道、 第二微波传输通道、 第三微波传输通道、 第四微波传输通道四路微波传输 通道， 和中央耦合区构成。 第一微波传输通道和第二微波传输通道的两条轴线之间的垂直 距离为h， h尺寸满足在中央耦合区仅能传输TE10和TE20两个基本模式， 中央耦合区的长度为 L1， 第三微波传输。

16、通道和第四微波传输通道均拐了90度弯， 拐弯处倒圆角的内半径均为R1， 拐弯处倒圆角的外半径为R2， R1和R2可通过电磁仿真软件(如CST Microwave Studio)优化 得到， 优化的目标是拐弯引起的反射为零。 第三微波传输通道和第四微波传输通道的轴线 的水平距离为L， 要求2aLR 0/ 3.41)。 第一波导脊与第二波导脊结构完全相同， 两个波导脊关于z轴对称， PP为连接两个 波导脊脊腹面中心的线段， 它表示两个波导脊之间的距离w( 0/2.61w 0/3.41， 且wR/2)， 厚度为w1(w12mm)。 窄金属板的长度为s(s 0/4， 其中 0 为圆极化TE11模式在圆。

17、波导内传输的波导波长)， 宽度等于R， 厚度为w2(1mmw24mm)。 窄金 属板沿z轴方向的两个侧面倒圆角， 圆角半径为R/2。 窄金属板从第一线转圆极化器的末端 端口插入第一线转圆极化器的圆波导内， 圆柱形底板将第一线转圆极化器的末端端口封 口。 第一旋转关节可绕对称轴(即z轴)旋转。 0013 本发明的第一旋转关节和第二旋转关节在初始状态下， 两块窄金属板之间存在一 个夹角， 此夹角命名为第一旋转关节和第二旋转关节的初始状态的角度差， 夹角大小为。 0014 所述结构参数所满足的条件和设计步骤如下： 0015 1)确定矩形波导窄边缝隙电桥基本参数。 四路微波传输通道对应的矩形波导尺寸 。

18、a和b根据实际应用需要设计。 为了满足TE10模在其中传输， 一般满足 /2a ， b /2， 为微 波在自由空间中的波长； 第一微波传输通道和第二微波传输通道的两条轴线之间的垂直距 离即中央耦合区的高度h满足仅传输矩形波导TE10和TE20模式的要求， 即 h+a1.5mm)。 矩形波导窄边缝隙 电桥1的第一端口11、 第二端口12、 第三端口13、 第四端口14均为矩形波导， 四个端口的矩形 波导的内腔的宽边长度均为a， 窄边长度均为b。 0038 沿图3中的x-o-z平面(即MM轴)剖开矩形波导窄边缝隙电桥， 如图4所示。 矩形波 导窄边缝隙电桥1由第一端口11、 第二端口12、 第三端。

19、口13、 第四端口14四个端口， 第一微波 传输通道15、 第二微波传输通道16、 第三微波传输通道18、 第四微波传输通道19四路微波传 输通道， 和中央耦合区17构成。 第一端口11与第一微波传输通道15相通， 第二端口12与第二 微波传输通道16相通， 第一微波传输通道15和第二微波传输通道16均与中央耦合区17相 通， 中央耦合区17与第三微波传输通道18和第四微波传输通道19相通， 第三微波传输通道 18与第三端口13相通， 第四微波传输通道19与第四端口14相通， 第一微波传输通道15和第 二微波传输通道16的两条轴线之间的垂直距离为h， 中央耦合区17的长度为L1， 第三微波传 。

20、输通道18和第四微波传输通道19均拐了90度弯， 拐弯处倒圆角的内半径均为R1， 拐弯处倒 圆角的外半径为R2， R1和R2可通过电磁仿真软件(如CST Microwave Studio)优化得到， 优化 的目标是拐弯引起的反射为零。 第三微波传输通道18和第四微波传输通道19的轴线的水平 距离为L， 要求2aLR 0/3.41)。 第一波导脊213与第二波导脊214结构完全 相同， 两个波导脊关于z轴对称， PP为连接两个波导脊脊腹面中心的线段， 它表示两个波导 脊之间的距离w( 0/2.61w 0/3.41， 且wR/2)， 厚度为w1(w12mm)。 窄金属板 222的长度为s(s 0/。

21、4， 其中 0为圆极化TE11模式在圆波导内传输的波导波长)， 宽度为R， 厚度为w2(1mmw24mm)。 窄金属板222沿z轴方向的两个侧面倒圆角， 圆角半径为R/2。 窄金属 板222从第一线转圆极化器的末端端口215插入第一线转圆极化器的圆波导212内， 圆柱形 底板221将第一线转圆极化器的末端端口215封口。 第一旋转关节22可绕对称轴(即z轴)旋 转。 0042 图8为本发明旋转关节工作条件的初始状态示意图； 图8(a)是图7为第一旋转关节 22的右视图， 图8(b)是第二旋转关节32的右视图。 本发明的第一旋转关节22和第二旋转关 节32在初始状态下， 两块窄金属板之间存在一个。

22、夹角， 夹角大小为。 0043 下面给出一个具体工作于8.4GHz的移相器的具体实例。 微波传输通道矩形波导的 尺寸分别为a24mm， b12mm， 圆波导的直径为26mm， 移相器的其它结构参数根据前面所述 的方法可通过电磁仿真软件(如CST Microwave Studio)优化得到。 在仿真计算中， 第一端 口11为输入端口， 第二端口12为输出端口。 仿真计算了该移相器的输出相位和传输参数(输 出电场强度与注入电场强度之比)结果如图9所示。 图中横坐标表示同步旋转两个旋转关节 的角度 ， 单位是度， 实线对应左侧的坐标轴， 表示输出端口12的输出相位， 同步旋转旋转 关节 从0度到36。

23、0度， 移相器的输出相位实现了从0度360度的两个周期单调线性相位调 节(即当同步旋转旋转关节 从0度到180度时， 移相器的输出相位实现了从0度到360度的 变化对应图9中左侧实线， 此为相位变化的第一个周期； 由于相位输出360度与0度是等价 的， 当继续同步旋转旋转关节 从180度到360度时， 移相器的输出相位实现了第二个周期 的从0度到360度的变化对应图9中右侧实线)； 虚线对应右边的坐标轴， 表示输出端口的 传输参数， 在相位调节的过程中， 移相器的传输参数的最小值(图9中对应的虚线)大于 0.999(图9中右侧的坐标轴)， 即能量传输效率(传输参数的平方)高于99.8。 说明书 5/5 页 8 CN 109994803 A 8 图1 图2 说明书附图 1/4 页 9 CN 109994803 A 9 图3 图4 图5 说明书附图 2/4 页 10 CN 109994803 A 10 图6 图7 说明书附图 3/4 页 11 CN 109994803 A 11 图8 图9 说明书附图 4/4 页 12 CN 109994803 A 12 。