一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器，包括矩形波導(dǎo)、金屬片、支撐桿、支撐座、螺桿和蓋板；所述支撐桿的兩個支撐腳穿過矩形波導(dǎo)的一側(cè)與設(shè)置在矩形波導(dǎo)腔體內(nèi)的金屬片連接在一起，所述支撐座套在支撐桿上，蓋板通過螺釘固定設(shè)置在支撐座上，螺桿依次穿過蓋板和支撐座后通過螺紋與支撐桿連接在一起；所述螺桿與蓋板之間設(shè)置有軸承結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的波導(dǎo)移相器相比，本發(fā)明中采用了金屬片使得波導(dǎo)能在0o～360o近似線性的相位變化，同時能避免在高功率環(huán)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(dǎo)移相器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前高功率微波的一個重要發(fā)展需求是實現(xiàn)天線陣列的波束掃描，而移相器是實現(xiàn)陣列波束掃描的關(guān)鍵部件。目前，常規(guī)移相器主要有兩大類:半導(dǎo)體二級管移相器和鐵氧體移相器。常規(guī)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于100MW,因此，常規(guī)移相器功率容量較小，不適宜用于高功率微波。
[0003]為此國內(nèi)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(yīng)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(zhì)移相器，前者應(yīng)用于高頻時有一定難度，后者在功率較高時存在介質(zhì)沿面擊穿的問題。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式移相器具有精度高的優(yōu)點，但應(yīng)用于高功率微波時，存在必需設(shè)計模式變換和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，造成結(jié)構(gòu)尺寸過大，難以應(yīng)用的不足之處。采用對圓波導(dǎo)壓橢或伸縮波紋波導(dǎo)可以實現(xiàn)高功率微波相移。但這兩種技術(shù)路線均存在使用壽命過短的限制?？梢酝ㄟ^電調(diào)可變電容調(diào)節(jié)波導(dǎo)一側(cè)光子晶體結(jié)構(gòu)的特征頻率實現(xiàn)相移，但光子晶體調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率容量低，且要解決真空密封問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是利用矩形波導(dǎo)內(nèi)引入金屬片產(chǎn)生微擾從而改變波導(dǎo)傳輸相位的原理，設(shè)計了金屬片高功率波導(dǎo)移相器。移相器由矩形波導(dǎo)、金屬片、支撐桿、金屬片移動機構(gòu)和真空動密封結(jié)構(gòu)組成；利用金屬片在波導(dǎo)中不同的位置對微波導(dǎo)波波長產(chǎn)生的變化不同的特點，通過沿波導(dǎo)寬邊移動金屬片，可以實現(xiàn)波導(dǎo)中傳輸微波相位的連續(xù)變化，通過合理設(shè)計金屬片的長度可以在波導(dǎo)內(nèi)實現(xiàn)0°?360°近似線性的相位變化。通過對金屬片、支撐桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)較低的微波傳輸插入損耗，采用全金屬結(jié)構(gòu)避免產(chǎn)生真空介質(zhì)沿面擊穿。通過對移相器波導(dǎo)尺寸及金屬片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可減少場強集中；同時設(shè)計真空動密封結(jié)構(gòu)，采用真空絕緣技術(shù)，可實現(xiàn)高功率容量。利用本發(fā)明可以實現(xiàn)高功率波導(dǎo)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(shù)難題。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案:一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器，包括矩形波導(dǎo)、金屬片、支撐桿、支撐座、螺桿和蓋板；所述支撐桿的兩個支撐腳穿過矩形波導(dǎo)的一側(cè)與設(shè)置在矩形波導(dǎo)腔體內(nèi)的金屬片連接在一起，所述支撐座套在支撐桿上，蓋板通過螺釘固定設(shè)置在支撐座上，螺桿依次穿過蓋板和支撐座后通過螺紋與支撐桿連接在一起；所述螺桿與蓋板之間設(shè)置有軸承結(jié)構(gòu)。
[0006]在上述技術(shù)方案中，所述金屬片的兩端為劈尖漸變形狀。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述軸承結(jié)構(gòu)與蓋板之間設(shè)置有密封圈，所述密封圈套在螺桿上。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述支撐座與支撐桿之間為密封真空結(jié)構(gòu)。[0009]在上述技術(shù)方案中，所述矩形波導(dǎo)腔體、金屬片、支撐桿、支撐座、螺桿和蓋板均采用金屬材料制成。
[0010]在本方案中，金屬片高功率波導(dǎo)移相器可以工作在C，X，Ku波段。高功率微波從波導(dǎo)一端饋入后，微波在具有金屬片微擾的波導(dǎo)中傳輸，金屬片在波導(dǎo)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(shè)計波導(dǎo)、金屬片和支撐桿結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)低損高功率容量的移相功能。
[0011]本方案中，采用了高功率容量設(shè)計，為了實現(xiàn)移相器的高功率容量，采用了高真空絕緣技術(shù)。對于高功率微波，高真空絕緣的微波擊穿閾值最高。如果采用充SF6氣體實現(xiàn)高功率容量，當(dāng)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，采用低介電常數(shù)的有機材料介質(zhì)片更具優(yōu)勢。但是在真空中，有機材料介質(zhì)會放氣，影響真空度；同時真空中介質(zhì)材料沿面會產(chǎn)生高功率微波擊穿。因此采用金屬片實現(xiàn)對波導(dǎo)中電磁場的微擾。
[0013]本方案中，波導(dǎo)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(xiàn)較短的移相器長度下滿足O。?360°相移，要求波導(dǎo)寬邊和窄邊尺寸盡量小。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(dǎo)尺寸實現(xiàn)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于功率容量設(shè)計。金屬片的兩端要進(jìn)行漸變設(shè)計，以減小插損和防止場強集中。
[0015]在本方案中，支撐桿套在螺桿上，螺桿轉(zhuǎn)動帶動支撐桿以及安裝在支撐桿上的金屬片沿波導(dǎo)寬邊移動。設(shè)計雙桿結(jié)構(gòu)，以利于移動金屬片時保持金屬片不偏移；同時通過優(yōu)化雙桿間距可減小支撐桿對微波傳輸?shù)姆瓷洹?br> [0016]在本方案中，螺桿與支撐座之間采用真空密封圈軸密封結(jié)構(gòu)。為減小轉(zhuǎn)動摩擦，螺桿與蓋板及支撐座之間安裝軸承結(jié)構(gòu)。
[0017]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:與傳統(tǒng)的波導(dǎo)移相器相比，本發(fā)明中采用了金屬片使得波導(dǎo)能在0°?360°近似線性的相位變化，同時能避免在高功率環(huán)境工作下金屬片被擊穿的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖2是本發(fā)明中支撐桿的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖3是本發(fā)明中支撐座的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖4是相移量與金屬片移動距離關(guān)系；
圖5是相移量與波導(dǎo)寬邊尺寸關(guān)系；
圖6是不同金屬片位置的移相器反射系數(shù)；
圖7是波導(dǎo)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(dǎo)，3是金屬片，4是支撐座，5是緊固螺桿，6是螺桿，7是軸承，8是O型密封圈，9是蓋板，10是支撐桿。
【具體實施方式】
[0019]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/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(fā)明的結(jié)構(gòu)主要由矩形波導(dǎo)2、金屬片3、支撐桿10和金屬片3移動機構(gòu)組成；其中矩形波導(dǎo)的兩側(cè)設(shè)置有密封圈1，用于實現(xiàn)波導(dǎo)法蘭處的真空密封，；矩形波導(dǎo)2用來傳輸高功率微波，為了實現(xiàn)移相器所要求的波導(dǎo)尺寸，矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊尺寸將由標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡到移相器所要求的尺寸；在矩形波導(dǎo)2腔體內(nèi)設(shè)置有一金屬片3，它是移相器的核心部件，用來在波導(dǎo)中產(chǎn)生微擾，實現(xiàn)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桿10上，通過轉(zhuǎn)動螺桿6實現(xiàn)支撐桿帶動金屬片沿波導(dǎo)寬邊方向前后移動，實現(xiàn)移相器中傳輸微波相位的連續(xù)變化；支撐座4其功能是作為安裝在螺桿6上的支撐桿10的密封腔室，實現(xiàn)支撐桿10的真空密封和為支撐桿10的前后移動提供動動空間；在支撐座4上通過緊固螺桿5連接有蓋板9，蓋板9主要是起防塵的作用；螺桿6穿過支撐座4并與支撐桿10進(jìn)行螺紋連接，通過轉(zhuǎn)動螺桿6帶動支撐桿10進(jìn)行上下移動；為減少螺桿6在轉(zhuǎn)動時的摩擦力，在螺桿6周圍設(shè)置有軸承7，為了進(jìn)行密封，在軸承7與蓋板9之間設(shè)置有O型密封圈8，O型密封圈8套在螺桿6上。
[0021]現(xiàn)在以X波段(9.4GHz)為例，說明本發(fā)明的技術(shù)方案。波導(dǎo)移相器的的相移量與金屬片移動距離如圖4所示；波導(dǎo)寬邊尺寸與相移量的關(guān)系曲線如圖5所示。波導(dǎo)寬邊長度越小，相移量會越大，但寬邊太小不利于功率容量設(shè)計。
[0022]采用真空絕緣，波導(dǎo)移相器中功率容量可達(dá)20MW。
[0023]在波導(dǎo)中放置金屬片后，在不連續(xù)處將引起反射。為減小或抵消這種反射，金屬片末端將設(shè)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采用劈尖過渡具有優(yōu)勢。
[0024]金屬支撐桿的直徑和間距將影響插損，同樣由于不同金屬片位置的導(dǎo)波波長不同，采用優(yōu)化程序計算得到支撐桿的間距。圖6為引入劈尖漸變和金屬桿后不同金屬片位置的移相器反射系數(shù)Sn。反射系數(shù)均小于_20dB。
[0025]移相器的插損包含反射損耗和導(dǎo)體壁上的功率損耗。圖7是波導(dǎo)移相器的功率損耗。
[0026]移相器的帶寬受到波導(dǎo)內(nèi)主模傳輸、金屬片尖劈和金屬支撐桿的影響，當(dāng)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桿的匹配設(shè)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(wǎng)絡(luò)分析儀可測得移相器的移相曲線和插損。
[0028]通過本發(fā)明，就可以實現(xiàn)高功率微波移相功能。
[0029]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，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(quán)利要求】
1.一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器，其特征為包括矩形波導(dǎo)、金屬片、支撐桿、支撐座、螺桿和蓋板；所述支撐桿的兩個支撐腳穿過矩形波導(dǎo)的一側(cè)與設(shè)置在矩形波導(dǎo)腔體內(nèi)的金屬片連接在一起，所述支撐座套在支撐桿上，蓋板通過螺釘固定設(shè)置在支撐座上，螺桿依次穿過蓋板和支撐座后通過螺紋與支撐桿連接在一起；所述螺桿與蓋板之間設(shè)置有軸承結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器，其特征為所述金屬片的兩端為劈尖漸變形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器，其特征為所述軸承結(jié)構(gòu)與蓋板之間設(shè)置有密封圈，所述密封圈套在螺桿上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器，其特征為所述支撐座與支撐桿之間為密封真空結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬片高功率波導(dǎo)移相器，其特征為所述矩形波導(dǎo)腔體、金屬片、支撐桿、支撐座、螺桿和蓋板均采用金屬材料制成。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)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(yīng)用電子學(xué)研究所