波导转弯过渡结构及正交模耦合器的制作方法

本实用新型涉及一种波导转弯过渡结构，用于实现矩形波导与圆波导之间的过渡连接以及90度转弯。

背景技术：

圆波导到标准矩形波导过渡结构是微波通信系统中常用的部件，用于圆波导TE11模式和矩形波导TE10模式之间的转换。部分系统需要将微波信号的传输方向转90度，现有常用方法是采用一个方圆转换和一个矩形波导90度转弯实现。但是采用该种方式所需体积较大，实现成本高。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种波导转弯过渡结构，将波导90度转弯和波导方圆过渡集成在一个部件中，可有效减小部件尺寸，降低生产成本。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种波导转弯过渡结构，用于实现矩形波导与圆波导之间的过渡连接以及90度转弯，所述波导转弯过渡结构包括一组按照横截面积从大到小依次级连的部分圆波导，以及一组按照横截面积从大到小依次级连的小矩形波导；所述部分圆波导的横截面形状是由同一圆形被一系列平行的弦分割后的同一侧的部分圆；所述小矩形波导的宽边均与所要连接矩形波导的宽边平行；横截面积最小的最后一级小矩形波导经由横截面积最小的最后一级部分圆波导的曲面与该最后一级部分圆波导正交连接。

优选地，各级小矩形波导的一侧宽边与最后一级部分圆波导的顶面位于同一平面上。

进一步地，在第一级部分圆波导的另一端还连接有一段圆波导接口，在第一级小矩形波导的另一端还连接有一段与所要连接矩形波导相同的矩形波导接口。

优选地，矩形波导接口的一侧宽边与各级小矩形波导的一侧宽边以及最后一级部分圆波导的顶面位于同一平面上。

优选地，所述圆波导接口的直径为工作中心频率波长的0.65--0.75倍。

本实用新型波导转弯过渡结构可应用于需要同时实现矩形波导与圆波导之间的过渡连接以及90度转弯的部件中，例如以下技术方案：

一种正交模耦合器，包括圆波导公共端口、水平极化方向矩形波导端口、垂直极化方向矩形波导端口；所述圆波导公共端口与垂直极化方向矩形波导端口之间经以上任一技术方案所述波导转弯过渡结构连接。

进一步地，所述波导转弯过渡结构与垂直极化方向矩形波导端口相对的另一侧连接有水平方向耦合窗口，所述水平方向耦合窗口的另一端经由一级或者多级渐变的矩形匹配波导与水平极化方向矩形波导端口连接。

相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

本实用新型的波导转弯过渡结构，将波导90度转弯和波导方圆过渡集成在一个部件中，可有效减小部件尺寸，降低生产成本，并可获得良好的回波和传输特性。

本实用新型的波导转弯过渡结构可广泛应用于需要同时实现矩形波导与圆波导之间的过渡连接以及90度转弯的部件中，可使部件尺寸更为紧凑，实现成本更低。

附图说明

图1为本实用新型波导转弯过渡结构一个优选实施例的立体结构示意图；

图2为图1波导转弯过渡结构另一个角度的立体结构示意图；

图3为图1波导转弯过渡结构的纵剖面结构示意图；

图4为一个工作于Ku波段的波导转弯过渡结构的S参数仿真结果；

图5为本实用新型正交模耦合器一个优选实施例的立体结构示意图；

图6为图5正交模耦合器另一个角度的立体结构示意图；

图7为图5正交模耦合器的S参数仿真结果。

图中的附图标记含义如下：

1、圆波导接口，2、矩形波导接口，3、小矩形波导，4、部分圆波导，5、圆波导公共端口，6、水平极化方向矩形波导端口，7、垂直极化方向矩形波导端口，8、波导转弯过渡结构，9、水平方向耦合窗口。

具体实施方式

针对现有波导转弯过渡结构所存在的体积较大的不足，本实用新型将波导90度转弯和波导方圆过渡集成在一个部件中，以有效减小部件尺寸，降低生产成本。具体而言，本实用新型具体采用以下技术方案：

一种波导转弯过渡结构，用于实现矩形波导与圆波导之间的过渡连接以及90度转弯，所述波导转弯过渡结构包括一组按照横截面积从大到小依次级连的部分圆波导，以及一组按照横截面积从大到小依次级连的小矩形波导；所述部分圆波导的横截面形状是由同一圆形被一系列平行的弦分割后的同一侧的部分圆；所述小矩形波导的宽边均与所要连接矩形波导的宽边平行；横截面积最小的最后一级小矩形波导经由横截面积最小的最后一级部分圆波导的曲面与该最后一级部分圆波导正交连接。

为了尽可能减小尺寸，优选地，各级小矩形波导的一侧宽边与最后一级部分圆波导的顶面位于同一平面上。

为了便于安装连接，本实用新型可进一步进行改进：在第一级部分圆波导的另一端还连接有一段圆波导接口，在第一级小矩形波导的另一端还连接有一段与所要连接矩形波导相同的矩形波导接口。

同样的，为了尽可能减小尺寸，优选地，矩形波导接口的一侧宽边与各级小矩形波导的一侧宽边以及最后一级部分圆波导的顶面位于同一平面上。

此外，经大量实验发现，当所述圆波导接口的直径为工作中心频率波长的0.65--0.75倍时，该波导转弯过渡结构具有最优的回波和匹配特性。

所述部分圆波导的级连个数根据所需的工作带宽确定，级连的部分圆波导数量越多，则工作带宽越大。具体的各部分圆波导尺寸可通过仿真软件进行优化。

为了便于公众理解，下面以一个优选实施例并结合附图来对本实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1～图3所示，本实施例中的波导转弯过渡结构包括一组按照横截面积从大到小依次级连的部分圆波导4（本实施例中的部分圆波导4的数量为两个），以及一组按照横截面积从大到小依次级连的小矩形波导3（本实施例中的小矩形波导3的数量为两个）。如图1所示，所述部分圆波导4的横截面形状是由同一圆形被一系列平行的弦分割后的同一侧的部分圆；所述小矩形波导3的宽边均与所要连接矩形波导的宽边平行；横截面积最小的最后一级小矩形波导3经由横截面积最小的最后一级部分圆波导4的曲面与该最后一级部分圆波导4正交连接。从图1～图3可以看出，本实用新型的波导转弯过渡结构相当于要连接的圆波导上和矩形波导上分别设置一个或多个尺寸逐渐减小的台阶，台阶的个数根据所需的工作带宽确定，台阶的具体尺寸可通过仿真软件仿真优化得到。

如图1～图3所示，为了便于连接，本实施例中的第一级部分圆波导4的另一端还连接有一段圆波导接口1，在第一级小矩形波导3的另一端还连接有一段与所要连接矩形波导相同的矩形波导接口2。为了尽可能减小体积，本实施例中的矩形波导接口2的一侧宽边与各级小矩形波导3的一侧宽边以及最后一级部分圆波导4的顶面位于同一平面上。为了获得较好的回波和传输特性，圆波导接口1的直径最好为工作中心频率波长的0.65--0.75倍，本实施例中圆波导接口1的直径为工作中心频率波长的0.7倍。

图4给出了一个波导转弯过渡结构的S参数仿真结果，其工作于Ku波段，采用图1～图3所示结构。从图4中可以看出，在大约15%的相对带宽内该结构具有较好的特性。

本实用新型波导转弯过渡结构可广泛应用于需要同时实现矩形波导与圆波导之间的过渡连接以及90度转弯的部件中，从而使部件尺寸更为紧凑，实现成本更低。以正交模耦合器（OMT）为例，OMT是微波通信中一种常用的器件，其主要功能是两路水平和垂直极化信号的分离或合成作用。目前正交模耦合器最常用的形式有窗口耦合形式和金属膜片分离极化形式；其他的还有用多只钢针分离极化形式。但现有这几种方式实现的正交模耦合器均存在高度较高、体积较大的问题，在小型化要求较高的场合，上述几种形式的OMT体积都较大，不利于系统集成且零件个数多，造成成本较高。因此，可利用本实用新型波导转弯过渡结构来对正交模耦合器的结构进行优化，以减小部件高度。

图5、图6显示了采用本实用新型波导转弯过渡结构优化后的OMT结构。如图5、图6所示，与现有OMT类似，该OMT同样具有圆波导公共端口5、水平极化方向矩形波导端口6、垂直极化方向矩形波导端口7；但与现有技术不同的是，圆波导公共端口5与垂直极化方向矩形波导端口7之间经本实用新型的波导转弯过渡结构8连接，该波导转弯过渡结构8即为图1～图3所示波导转弯过渡结构。图5中的6为水平方向耦合窗口，其与水平极化方向矩形波导端口6之间也是通过一级或者多级渐变的矩形匹配波导连接，级数越多，所能匹配的带宽越大。

图7给出了该正交模耦合器的S参数仿真结果，从图中可以看出在23.4GHz到24.3GHz频率范围内，水平极化方向的反射系数S22和垂直极化方向的反射系数S33都低于-21dB，性能较好。

该正交模耦合器的高度方向最大尺寸小于工作中心频率的一个波长，尺寸十分紧凑，远小于目前常规技术实现的正交模耦合器OMT的尺寸，有利于系统的小型化，特别是在一些对体积和总量要求很高的领域，例如航天卫星通信等。且该OMT只需要两个零件组成，完全由机械加工，然后通过螺钉组装完成，不存在膜片装配和钎焊的问题，其加工和生产成本以及可靠性完全可以媲美窗口耦合形式的正交模耦合器，但体积特别是高度方向的尺寸小很多，且成本更加低廉。