本发明属于无线通信、军事无线电及电子设备与器件设计领域，可用于高频电路系统、有源/无源能量采集系统等设计，具体涉及一种金属腔体内置式波导模式-传输线模式转换器。
背景技术：
随着无线通信、军事无线电及高频电子设备与器件设计的日新月异，电磁频谱资源日渐拥挤，电磁环境日益复杂，因此通信及电子电路设计的频率范围愈来愈向微波、毫米波、亚毫米波、太赫兹等发展，由此带来信号传输形式、系统及电路构成等的巨大变化。在以往的低频范围，集总参数电路、基于平面介质基板的集成电路比较受欢迎，而在高频范围，由于介质损耗、导体损耗等对电路及系统所带来的重大影响，特别是在一些领域需要对空间电磁波进行接收和处理的情况，再加上现代加工工艺如3d打印技术的兴起，平面型电路正越来越多地被腔体型电路及器件取代，例如空间电磁波往往采用金属腔体进行接收等。然而，平面型电路及器件在信号的处理、与现有电路及系统的集成等方面仍然具有一定的优势，例如对电磁波信号的特性进行分析与后期处理，对电磁能量进行采集和转化，系统后续处理电路为平面形式等情况，此外，平面电路设计中往往可以采用各种技术措施来实现小型化、宽频化、多极化等高性能指标，因此迫切需要解决金属腔体内的波导模式与平面电路中的传输线模式的模式转换问题。
目前对于波导模式—传输线模式转换器的研究，主要着眼点是模式的转换，因此一般的器件结构形式主要是模式变换+强制性边界条件，或是利用金属腔体的自然高通特性，这也导致了现有波导模式—传输线模式转换器在电路形式上的两大特点，一是存在谐振式结构，二是腔体结构尺寸的改变，而这两个特点会在电路及系统的宽频应用、系统集成性设计等场合带来局限性，如何在均匀金属腔体内实现高性能的模式转换、并提高其与前端及后续电路集成的方便性和灵活性，是一个亟待解决的问题。
总之，研制结构简单、损耗低、模式转换性能好的波导模式-传输线模式转换器的，具有非常重要的实用意义。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出了一种均匀金属腔体内置式波导模式-传输线模式转换器。利用平面天线的辐射/接收互易特性，根据实际需求设计平面天线并置于金属腔体内，接收腔体内电磁波(波导模式)并将其转换为输出传输线上的传输线模式；腔体内未完全耦合至平面天线的波导模式场，由腔体内置式滤波器或模式抑制器进行处理(反射，并再次耦合至天线)，从而实现均匀腔体完全内置式的模式转换。该转换器内部构件(平面天线、滤波器)可根据需求(工作频带等)灵活变换，满足高频电路系统及有源/无源能量采集系统等不同应用场合的工作需求。
本发明可通过如下技术方案实现：
一种均匀金属腔体内置式波导模式-传输线模式转换器，包含：一个均匀金属腔体1；一个平面天线2，内置于金属腔体1中；一个模式抑制器或滤波器3。
作为本发明的进一步优化方案，所述金属腔体1沿其长度方向的外形及内部腔体尺寸均没有变化(除输入输出波导端或可能需要的同轴-波导转换器外)，长度和宽度应为能恰当放置平面天线2及波导滤波器或抑制器3、并且保证正常工作的最小尺寸。
作为本发明的进一步优化方案，所述金属腔体1的横截面长边和宽边尺寸根据实际需求确定，金属腔体1的横截面形状可以为矩形、圆形、椭圆形或其它形状，腔体内部为空气或介质填充，所述金属腔体1的其一端用作波导模式电磁波的激励。
作为本发明的进一步优化方案，所述的用于接收波导模式电磁波的平面天线2可根据具体需求(工作频带、辐射方向图等)设计，用于接收金属腔体1内波导模式电磁波，并将其转换为传输线模式电磁波。
作为本发明的进一步优化方案，所述的用于接收波导模式电磁波的平面天线2，可以为实施例的微带馈电型贴片天线，介质基板2-1的一面为全金属地2-2并与金属腔体1内壁紧密贴合，另一面按工作频带、辐射方向图等需求设计贴片形状2-3及微带线2-4；也可以为贴片天线的各种改进形式或偶极子天线、领结天线等其他结构的平面天线。
作为本发明的进一步优化方案，所述的用于接收波导模式电磁波的平面天线2，其放置位置决定于所使用的天线辐射方向图，可紧靠金属腔体1内壁，也可悬置于金属腔体1中部。
作为本发明的进一步优化方案，所述的滤波器或模式抑制器3用于处理未完全被接收的波导模式电磁波，从而实现均匀腔体完全内置式的模式转换器，其具体结构形式应根据具体需求(工作频带、与平面电路的结合性、加工工艺等)选择，可为具有一定厚度的金属膜片纵向加载或横向加载结构，可为双面覆铜的介质基板刻蚀的金属膜片结构，亦可为感性金属柱构成的等效金属膜片结构等。
作为本发明的进一步优化方案，所述的滤波器或模式抑制器3与金属腔体1的连接方式，可以为一定形状金属膜片的多点连接，也可以为介质基板形式金属膜片的线状连接。
有益效果
1、本发明提出的波导模式-传输线模式转换器，具有电路结构紧凑、模式转换效率高、易与平面电路集成等优点。
2、本发明提出的波导模式-传输线模式转换器，内部构件(平面天线、滤波器)根据电路结构、工作带宽、模式转换系数等实际需求灵活变换，有益于高频电路系统及有源/无源能量采集系统的结构改善。
附图说明
图1是本发明波导模式-传输线模式转换器的立体图(图中port1和port2为用于本发明波导模式转换器仿真设计和测试的输入输出端面)。
图2是本发明波导模式-传输线模式转换器的横截面图(图中port1和port2为用于本发明波导模式转换器仿真设计和测试的输入输出端面)。
图3是本发明波导模式-传输线模式转换器的s参数曲线。
图4是本发明波导模式-传输线模式转换器实施例的输入输出端电场分布示意图，输入端为波导模式的电场分布，经由模式转换器的作用，输出端的电场分布主要为传输线模式，波导模式电场强度的幅度大幅降低。
具体实施方案
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
对照附图1，本发明一种均匀金属腔体内置式波导模式-传输线模式转换器，包含：一个均匀金属腔体1；一个平面天线2，内置于金属腔体1中；一个波导模式滤波器或模式抑制器3。其中金属腔体1可根据实用需求确定，横截面尺寸一旦确定，则结合平面电路2的工作频段，即可相应确定其中的波导模式类型；平面天线2用于接收腔体内电磁波(波导模式)，并将其转换为输出传输线上的传输线模式；波导滤波器或模式抑制器3，用于处理未完全转换的波导模式场，其具体结构及复杂度决定于平面天线2类型、模式变换器工作频带等。
实施例：
对照附图1和附图2，上述的波导模式-传输线模式转换器中，平面天线及滤波器/模式抑制器结构可以根据实际需求灵活选择。在本实施例中，平面天线选择为微带线馈电的贴片天线，模式抑制器选择为平面介质基板结合金属化通孔(或感性金属柱加载)的等效金属膜片结构。
整个波导模式-传输线模式转换器的具体结构包含：一个均匀金属腔体1；一个平面天线2，一个位于金属腔体内部的介质基板2-1，介质基板2-1的一个表面为全金属地板2-2，并紧贴腔体一侧宽边内壁(与感性金属柱3-3的连接位置所在宽壁相对)放置，介质基板2-1的另一个表面为金属微带贴片2-3及其输出传输线2-4，作为其他实施例，平面天线2可以根据工作频带、辐射方向图等实际需求设计为其他结构，包括贴片天线的各种改进形式(高增益、宽频带等)或偶极子天线、领结天线等，而其输出传输线可以为微带线2-4或共面波导、带状线等其他形式；一个波导滤波器或模式抑制器3，一个双面覆铜的介质基板3-1，其上分布有五个或五个以上的金属化通孔(亦可为感性金属柱)3-2，介质基板3-1两端分别与金属腔体1的两侧内壁相连接，另有一个长度相对介质基板3-1厚度较大的感性金属柱3-3，其一端与金属腔体1的一个宽边内壁相连接，另一端与前述的介质基板3-1表面相连接，连接点取介质基板3-1及金属柱3-2的中间位置。介质基板2-1及3-1的厚度、介电常数以及位于介质基板表面的金属形状及尺寸等参数，根据本发明波导模式-传输线模式转换器对平面天线2的指标需求来设置。
为实现波导模式到传输线模式的转换，需要确定平面天线2结构及各结构参数、滤波器或模式抑制器3的结构及各参数，包括贴片的大小、输出传输线的条带宽度、介质基板厚度、金属化通孔的直径、感性金属柱的直径和高度等。平面天线2的各结构参数按变换器工作频率及带宽确定，输出传输线的尺寸按照所连接其他电路的阻抗匹配要求确定；滤波器或模式抑制器3的各结构尺寸根据平面天线2的工作频率及带宽设计，必要时可增加感性金属柱个数或金属化通孔所占面积大小，以此增加设计自由度。滤波器或模式抑制器3的对波导模式场的抑制作用好坏会大大影响整个模式变换器的性能，通过综合优化平面天线2及模式抑制器3的各个结构参数，可以调整模式转换器的中心频率、模式转换带宽以及转换系数。
附图3所示的是本发明波导模式-传输线模式转换器的s参数曲线。可以看到，模式转换器的中心工作频率在14.92ghz，由于贴片天线的窄带特性，该模式变换器的模式变换工作频带也较窄(14.77ghz～15.06ghz)。在该频带上，port1端面激励的波导模式回波损耗优于10db，由于波导带阻滤波器的作用，port1端面激励的波导模式到port2端面的波导模式转换系数小于-27db；由于平面天线和波导带阻滤波器的共同作用，port1端面激励的波导模式到port2端面的微带线模式转换系数大于-1db，在中心频率点接近0db，可能存在的较小损耗与所选择介质基本的损耗特性有很大关系，因此选损耗特性好的介质基板对于本实施例的模式转换系数特性非常重要，在其他实施例中若采用悬置微带贴片+悬置带线的设计，则能进一步减小介质损耗；至于port2端面上波导模式、传输线模式的回波损耗，可在上述工作频带很好的达到一般工程需求。
附图4所示的是本发明波导模式-传输线模式转换器实施例的输入输出端电场分布示意图。输入端为波导模式的电场分布，经由模式变换器的作用，输出端的电场分布主要为传输线模式，波导模式电场强度的幅度大幅降低。亦即本发明的模式转换器可在所设计的工作频带上，将输入端馈入的波导模式场变换为输出端的传输线模式场，在腔体尺寸不变化的情况下获得满足需求的模式转换性能。
综上所述，本发明的均匀腔体内置式波导模式-传输线模式转换器，可在所需频段上实现从波导模式到传输线模式的高性能转换，且其结构形式比较方便与其他平面电路集成，有益于现代高频电路及器件的小型化、高性能化设计。同时，本发明中模式转换器的内部构件——平面天线及波导模式抑制器，根据实际需求可以窄频、双频、多频或宽频的模式转换性能，转换器整体结构简单、实现方式灵活多样、插入损耗低、模式转换系数高、易与平面电路集成等优良特点。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解或想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。