一种金属片高功率波导移相器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属片高功率波导移相器，包括矩形波导、金属片、支撑杆、支撑座、螺杆和盖板；所述支撑杆的两个支撑脚穿过矩形波导的一侧与设置在矩形波导腔体内的金属片连接在一起，所述支撑座套在支撑杆上，盖板通过螺钉固定设置在支撑座上，螺杆依次穿过盖板和支撑座后通过螺纹与支撑杆连接在一起；所述螺杆与盖板之间设置有轴承结构。与传统的波导移相器相比，本发明中采用了金属片使得波导能在0o～360o近似线性的相位变化，同时能避免在高功率环境工作下金属片被击穿的问题。
【专利说明】一种金属片高功率波导移相器
【技术领域】
[0001]本发明涉及高功率微波【技术领域】，具体是指一种金属片高功率波导移相器。
【背景技术】
[0002]目前高功率微波的一个重要发展需求是实现天线阵列的波束扫描，而移相器是实现阵列波束扫描的关键部件。目前，常规移相器主要有两大类:半导体二级管移相器和铁氧体移相器。常规移相器的峰值功率容量不超过IOOkW,而高功率微波的峰值功率不小于100MW,因此，常规移相器功率容量较小，不适宜用于高功率微波。
[0003]为此国内外研究单位对高功率微波移相器展开了研究，但这些研究成果离实际工程应用还有一定距离。例如西南交大提出高功率同轴插板式移相器，电子科大提出了高功率介质移相器，前者应用于高频时有一定难度，后者在功率较高时存在介质沿面击穿的问题。传统的旋转式移相器具有精度高的优点，但应用于高功率微波时，存在必需设计模式变换和旋转关节，造成结构尺寸过大，难以应用的不足之处。采用对圆波导压椭或伸缩波纹波导可以实现高功率微波相移。但这两种技术路线均存在使用寿命过短的限制。可以通过电调可变电容调节波导一侧光子晶体结构的特征频率实现相移，但光子晶体调节机构结构复杂，功率容量低，且要解决真空密封问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是利用矩形波导内引入金属片产生微扰从而改变波导传输相位的原理，设计了金属片高功率波导移相器。移相器由矩形波导、金属片、支撑杆、金属片移动机构和真空动密封结构组成；利用金属片在波导中不同的位置对微波导波波长产生的变化不同的特点，通过沿波导宽边移动金属片，可以实现波导中传输微波相位的连续变化，通过合理设计金属片的长度可以在波导内实现0°?360°近似线性的相位变化。通过对金属片、支撑杆结构的优化设计，可实现较低的微波传输插入损耗，采用全金属结构避免产生真空介质沿面击穿。通过对移相器波导尺寸及金属片的结构优化，可减少场强集中；同时设计真空动密封结构，采用真空绝缘技术，可实现高功率容量。利用本发明可以实现高功率波导天线阵列的移相功能，解决高功率微波阵列天线波束扫描的技术难题。
[0005]本发明采用的技术方案:一种金属片高功率波导移相器，包括矩形波导、金属片、支撑杆、支撑座、螺杆和盖板；所述支撑杆的两个支撑脚穿过矩形波导的一侧与设置在矩形波导腔体内的金属片连接在一起，所述支撑座套在支撑杆上，盖板通过螺钉固定设置在支撑座上，螺杆依次穿过盖板和支撑座后通过螺纹与支撑杆连接在一起；所述螺杆与盖板之间设置有轴承结构。
[0006]在上述技术方案中，所述金属片的两端为劈尖渐变形状。
[0007]在上述技术方案中，所述轴承结构与盖板之间设置有密封圈，所述密封圈套在螺杆上。
[0008]在上述技术方案中，所述支撑座与支撑杆之间为密封真空结构。[0009]在上述技术方案中，所述矩形波导腔体、金属片、支撑杆、支撑座、螺杆和盖板均采用金属材料制成。
[0010]在本方案中，金属片高功率波导移相器可以工作在C，X，Ku波段。高功率微波从波导一端馈入后，微波在具有金属片微扰的波导中传输，金属片在波导中不同的位置会带来不同的微波传输相位变化，通过合理设计波导、金属片和支撑杆结构，可以实现低损高功率容量的移相功能。
[0011]本方案中，采用了高功率容量设计，为了实现移相器的高功率容量，采用了高真空绝缘技术。对于高功率微波，高真空绝缘的微波击穿阈值最高。如果采用充SF6气体实现高功率容量，当移动金属片时，高气压会给传动装置带来较大的摩擦阻力。
[0012]为了减小传输损耗，采用低介电常数的有机材料介质片更具优势。但是在真空中，有机材料介质会放气，影响真空度；同时真空中介质材料沿面会产生高功率微波击穿。因此采用金属片实现对波导中电磁场的微扰。
[0013]本方案中，波导的宽边和窄边尺寸对移相器的单位长度移相量有较大的影响，为实现较短的移相器长度下满足O。?360°相移，要求波导宽边和窄边尺寸尽量小。但是宽边尺寸小到接近截止波长的个半时，微波的传输损耗会快速增加。减小窄边尺寸会减小功率容量。因此需要综合考虑波导尺寸实现0°?360°相移。
[0014]在本方案中，金属片的宽度和厚度对移相器单位长度的移相量、功率容量和插损有较大的影响。为提高移相器单位长度的移相量，要求金属片的宽度要宽，厚度要厚。但是，增加金属片的宽度会带来较大的插损和较强的集中电场，较强的集中电场不利于功率容量设计。金属片的两端要进行渐变设计，以减小插损和防止场强集中。
[0015]在本方案中，支撑杆套在螺杆上，螺杆转动带动支撑杆以及安装在支撑杆上的金属片沿波导宽边移动。设计双杆结构，以利于移动金属片时保持金属片不偏移；同时通过优化双杆间距可减小支撑杆对微波传输的反射。
[0016]在本方案中，螺杆与支撑座之间采用真空密封圈轴密封结构。为减小转动摩擦，螺杆与盖板及支撑座之间安装轴承结构。
[0017]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:与传统的波导移相器相比，本发明中采用了金属片使得波导能在0°?360°近似线性的相位变化，同时能避免在高功率环境工作下金属片被击穿的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
图1是本发明的结构剖视图；
图2是本发明中支撑杆的结构剖视图；
图3是本发明中支撑座的结构剖视图；
图4是相移量与金属片移动距离关系；
图5是相移量与波导宽边尺寸关系；
图6是不同金属片位置的移相器反射系数；
图7是波导移相器的功率损耗；
图8是移相器的S11和S21曲线； 其中:1是密封圈，2是矩形波导，3是金属片，4是支撑座，5是紧固螺杆，6是螺杆，7是轴承，8是O型密封圈，9是盖板，10是支撑杆。
【具体实施方式】
[0019]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0020]如图1、图2、图3所示，本发明的结构主要由矩形波导2、金属片3、支撑杆10和金属片3移动机构组成；其中矩形波导的两侧设置有密封圈1，用于实现波导法兰处的真空密封，；矩形波导2用来传输高功率微波，为了实现移相器所要求的波导尺寸，矩形波导的宽边和窄边尺寸将由标准波导过渡到移相器所要求的尺寸；在矩形波导2腔体内设置有一金属片3，它是移相器的核心部件，用来在波导中产生微扰，实现传输微波相位的变化，金属片3沿窄边平行方向安放在支撑杆10上，通过转动螺杆6实现支撑杆带动金属片沿波导宽边方向前后移动，实现移相器中传输微波相位的连续变化；支撑座4其功能是作为安装在螺杆6上的支撑杆10的密封腔室，实现支撑杆10的真空密封和为支撑杆10的前后移动提供动动空间；在支撑座4上通过紧固螺杆5连接有盖板9，盖板9主要是起防尘的作用；螺杆6穿过支撑座4并与支撑杆10进行螺纹连接，通过转动螺杆6带动支撑杆10进行上下移动；为减少螺杆6在转动时的摩擦力，在螺杆6周围设置有轴承7，为了进行密封，在轴承7与盖板9之间设置有O型密封圈8，O型密封圈8套在螺杆6上。
[0021]现在以X波段(9.4GHz)为例，说明本发明的技术方案。波导移相器的的相移量与金属片移动距离如图4所示；波导宽边尺寸与相移量的关系曲线如图5所示。波导宽边长度越小，相移量会越大，但宽边太小不利于功率容量设计。
[0022]采用真空绝缘，波导移相器中功率容量可达20MW。
[0023]在波导中放置金属片后，在不连续处将引起反射。为减小或抵消这种反射，金属片末端将设计成一定形状，常用的有两种:一种是劈尖渐变，另一种是阶梯过渡。从带宽和功率容量两方面考虑采用劈尖过渡具有优势。
[0024]金属支撑杆的直径和间距将影响插损，同样由于不同金属片位置的导波波长不同，采用优化程序计算得到支撑杆的间距。图6为引入劈尖渐变和金属杆后不同金属片位置的移相器反射系数Sn。反射系数均小于_20dB。
[0025]移相器的插损包含反射损耗和导体壁上的功率损耗。图7是波导移相器的功率损耗。
[0026]移相器的带宽受到波导内主模传输、金属片尖劈和金属支撑杆的影响，当传输频率接近临界频率时，带宽会相对变窄；金属片尖劈和金属支撑杆的匹配设计也会对带宽有明显的影响。图8是不同频率下S11和S21曲线。-20dB带宽为9.2GHz?9.6GHz。
[0027]通过矢量网络分析仪可测得移相器的移相曲线和插损。
[0028]通过本发明，就可以实现高功率微波移相功能。
[0029]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【权利要求】
1.一种金属片高功率波导移相器，其特征为包括矩形波导、金属片、支撑杆、支撑座、螺杆和盖板；所述支撑杆的两个支撑脚穿过矩形波导的一侧与设置在矩形波导腔体内的金属片连接在一起，所述支撑座套在支撑杆上，盖板通过螺钉固定设置在支撑座上，螺杆依次穿过盖板和支撑座后通过螺纹与支撑杆连接在一起；所述螺杆与盖板之间设置有轴承结构。
2.根据权利要求1所述的一种金属片高功率波导移相器，其特征为所述金属片的两端为劈尖渐变形状。
3.根据权利要求1所述的一种金属片高功率波导移相器，其特征为所述轴承结构与盖板之间设置有密封圈，所述密封圈套在螺杆上。
4.根据权利要求1或3所述的一种金属片高功率波导移相器，其特征为所述支撑座与支撑杆之间为密封真空结构。
5.根据权利要求1所述的一种金属片高功率波导移相器，其特征为所述矩形波导腔体、金属片、支撑杆、支撑座、螺杆和盖板均采用金属材料制成。
【文档编号】H01P1/18GK103915663SQ201410166366
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】廖勇, 徐刚, 谢平, 陈世韬, 施美友 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所