3D打印的同轴波导适配器

3d打印的同轴波导适配器
技术领域
1.本发明涉及同轴波导适配器(coaxial to waveguide adapter)。本发明进一步涉及用于x/ku波段卫星通信的三维(3d)可打印的同轴波导适配器。


背景技术：

2.同轴波导适配器是将来自同轴电缆的信号转换成可以在波导内行进的信号的关键装置。同轴波导适配器广泛应用于雷达和天线应用中。
3.传统的波导包括平坦的背面造型并聚焦于提供匹配的结构以提供较宽的带宽。此外，常规适配器中的多段式台阶部匹配结构被设计为90度。由于悬垂的限制，这不能使用3d打印技术制造。因此，标准波导适配器被分别制造成两个部分，一个上部部分和一个下部部分。然后，这两个部分将在制造后进行组装。这个过程通常需要更多的时间，产生更多的材料浪费，以及高昂的劳动力成本。
4.因此，本领域技术人员正在努力提供改进的同轴波导适配器。


技术实现要素：

5.根据本发明的同轴波导适配器解决了上述和其他问题，并且在本领域中取得了进步。根据本发明的同轴波导适配器的优点是，同轴波导适配器在宽操作带宽上具有低的回波损耗。具体地，根据本发明的同轴波导适配器在10ghz与15ghz的范围内具有20db的回波损耗。根据本发明的同轴波导适配器的第二个优点是，同轴波导适配器具有弯曲的背面造型(back shot)和45度倾斜角度，这使得能够使用3d打印技术来制造同轴波导适配器。换句话说，根据本发明的同轴波导适配器允许快速制造速度，减少材料浪费(这是环境友好的)，降低制造成本，消除对准误差，具有高精度，由于其为单件适配器所以不需要任何组装，并且需要较少的劳动力成本。
6.本公开的第一方面描述了一种同轴波导适配器。同轴波导适配器包括：本体，该本体具有腔；同轴连接器，该同轴连接器能够安装至本体的表面并且具有延伸穿过本体并且进入腔中的探针；以及波导，该波导设置在腔内，波导包括弯曲的背面造型和多个过渡台阶部。
7.根据第一方面的实施方式，在相邻过渡台阶部之间设置有倾斜角度。根据本实施方式的实施方式，倾斜角度在30度与45度之间。根据本实施方式的另一实施方式，倾斜角度为45度。
8.根据第一方面的实施方式，弯曲的背面造型是具有3.13mm的半径的半圆。根据本实施方式的实施方式，弯曲的背面造型设置在腔的后壁上并且在多个过渡台阶部中的第一过渡台阶部上方。
9.根据第一方面的实施方式，在多个过渡台阶部中限定有间隙从而形成一对过渡台阶部。
10.根据第一方面的实施方式，同轴波导适配器还包括第一侧部弯曲的背面造型和第
二侧部弯曲的背面造型。根据本实施方式的实施方式，第一侧部弯曲的背面造型和第二侧部弯曲的背面造型中的每一者都是具有3.13mm的半径的半圆。
11.根据第一方面的实施方式，同轴波导适配器通过三维(3d)打印技术制造。
附图说明
12.根据本发明的上述及其他特征和优点在下面的具体实施方式中描述，并在以下附图中示出：
13.图1图示了根据本发明的实施方式的同轴波导适配器的立体图；
14.图2.1图示了根据第一实施方式的同轴波导适配器的透视立体图；
15.图2.2图示了第一实施方式的腔的侧视图；
16.图2.3图示了第一实施方式的腔的俯视图；
17.图3.1图示了根据第二实施方式的同轴波导适配器的透视立体图；
18.图3.2图示了第二实施方式的腔的侧视图；
19.图3.3图示了第二实施方式的腔的俯视图；
20.图4图示了第二实施方式的同轴波导适配器的另一透视立体图，其中限定有间隙以形成成对的脊部匹配结构；
21.图5图示了第二实施方式的同轴波导适配器的透视侧视图；
22.图6图示了第二实施方式的同轴波导适配器的透视俯视图；
23.图7图示了第一实施方式的模拟反射系数(|s11|)和插入损耗(|s21|)；
24.图8图示了第一实施方式的模拟电压驻波比结果；
25.图9图示了根据图3.1至图3.3的波导的第二实施方式的模拟反射系数(|s11|)和插入损耗(|s21|)；
26.图10图示了根据图3.1至图3.3的波导的第二实施方式的模拟电压驻波比结果；
27.图11图示了对根据图4至图6的波导的第二实施方式的适配器的间隙距离及其对阻抗带宽的影响的参数研究；以及
28.图12图示了根据图4至图6的波导的第二实施方式的模拟反射系数(|s11|)和插入损耗(|s21|)。
具体实施方式
29.本发明涉及同轴波导适配器。本发明进一步涉及用于x/ku波段卫星通信的三维(3d)可打印的同轴波导适配器。
30.可以设想的是，根据本发明实施方式的同轴波导适配器包括允许使用3d打印技术来制造同轴波导适配器的新波导结构。该3d可打印的同轴波导适配器可应用于x/ku波段卫星通信。3d打印使同轴波导适配器与使用传统加工工艺制造的适配器相比具有更好的性能。除此之外，3d打印是一种环境友好的工艺，因为整个同轴波导适配器将被制造为没有材料浪费的单个单元。
31.通过对常规的背面造型(也称为后壁或背面短部分backshort)及其内部波导匹配结构进行重新设计，可以对同轴波导适配器进行3d打印。图1示出了同轴波导适配器100的立体图。同轴波导适配器100包括：本体110，该本体110具有腔130；同轴连接器120，该同轴
连接器120具有安装板122，以利用延伸穿过本体110并进入腔130的探针123将同轴连接器120固定至本体110；以及凸缘140。腔130延伸穿过凸缘140以形成开口141。重要的是，同轴波导适配器100包括腔130中的波导150。
32.图2.1图示了根据本发明的同轴波导适配器100的第一实施方式。具体地，图2.1示出了同轴波导适配器100的透视立体图，其中腔130示出了波导150的结构的布置。图2.2示出了根据本发明的同轴波导适配器100的第一实施方式的腔130的侧视图，而图2.3示出了根据本发明的同轴波导适配器100的第一实施方式的腔130的俯视图。如图2.2和图2.3中所示，波导150包括弯曲的背面造型155和许多过渡台阶部151，其中在相邻的过渡台阶部之间设置有倾斜角度152。具体地，倾斜角度152设置在通向下一个相邻过渡台阶部151的每个过渡台阶部151上。图2.1至图2.3示出了五个过渡台阶部151，其中第一过渡台阶部151抵接腔130的后壁。然而，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的情况下，可以实现任意数目的过渡台阶部。本质上，待实现的过渡台阶部151的确切数目作为设计选择留给本领域技术人员。
33.可以观察到，弯曲的背面造型155和倾斜角度152可以提供比其他形状的背面造型和直角台阶部更好的带宽。倾斜角度152可以是30度与45度之间的任何角度。优选地，倾斜角度152是45度的倾斜角度152，其允许阻抗平滑转换，因为与直角台阶部的变压器相比，通带纹波相对较小。倾斜角度152可以是30度与45度之间的任何角度。然而，还需要进一步调节。
34.弯曲的背面造型155设置在后壁上并且位于第一台阶部151的上方。具体地，弯曲的背面造型155是腔130的后壁上的凹口。更具体地，弯曲的背面造型155是具有3.13mm(毫米)半径的半圆，并且延伸横跨第一过渡台阶部151的厚度。换句话说，弯曲的背面造型155是半筒形形状，其中其长度在腔130的相对侧壁之间延伸。但是，也可以使用具有3.5mm或更小的半径的其他半圆。小的半径将防止在3d打印过程期间变形。然而，需要调整诸如适配器的倾斜角度152、台阶部宽度、台阶部间隔距离等参数，以实现与当前参数组合整体优化类似的性能。
35.弯曲的背面造型155和45度倾斜角度152使得能够使用增材打印来打印同轴波导适配器100。同轴波导适配器100的所需性能可以通过调整诸如台阶部高度、台阶部的间隔距离、朝向背面造型的探针距离等多个结构参数来实现。
36.图3.1图示了根据本发明的同轴波导适配器100的第二实施方式。具体地，图3.1示出了同轴波导适配器100的透视立体图，其中腔130示出了波导150a的结构的布置。图3.2示出了根据本发明的同轴波导适配器100的第二实施方式的腔130的侧视图，而图3.3示出了根据本发明的同轴波导适配器100的第二实施方式的腔130的俯视图。图4示出了同轴波导适配器100的另一透视立体图，其中限定了间隙以形成成对的脊部匹配结构。图5示出了第二实施方式的同轴波导适配器100的透视侧视图，而图6示出了第二实施方式的同轴波导适配器100的透视俯视图。
37.本质上，同轴波导适配器100的第二实施方式的波导150a包括成对的脊部匹配结构。参照第一实施方式，在过渡台阶部151中限定间隙159以形成一对过渡台阶部。这对过渡台阶部是第二实施方式的成对脊部匹配结构。成对脊部匹配结构包括由间隙159分开的一对过渡台阶部151，如图3.3中所示。间隙159用于调节适配器的阻抗以实现更好的阻抗匹
配。此外，使用成对的脊部匹配结构可以显著减少材料使用。优选地，间隙159的距离为0.14mm。还可以观察到，成对的多个台阶部中的每一者处于1mm的厚度提供了具有20db的回波损耗的良好阻抗匹配。
38.同轴波导适配器100的第二实施方式包括顶部弯曲的背面造型155a、第一侧部弯曲的背面造型155b和第二侧部弯曲的背面造型155c。顶部弯曲的背面造型155a、第一侧部弯曲的背面造型155b和第二侧部弯曲的背面造型155c在腔130的后壁上形成。本质上，顶部弯曲的背面造型155a、第一侧部弯曲的背面造型155b和第二侧部弯曲的背面造型155c是腔130的后壁上的凹口。顶部弯曲的背面造型155a设置在第一过渡台阶部151的上方。第一侧部弯曲的背面造型155b和第二侧部弯曲的背面造型155c设置在顶部弯曲的背面造型的相对端部上，从而在过渡台阶部151与腔的侧壁135之间形成侧部间隙158。更具体地，顶部弯曲的背面造型155a是半筒形形状，其中其长度在腔130的相对侧壁之间延伸，而第一侧部弯曲的背面造型155b与第二侧部弯曲的背面造型155c是半筒形形状，其中相应的长度在第一过渡台阶部151的高度之间延伸。根据本实施方式，顶部弯曲的背面造型155a、第一侧部弯曲的背面造型155b和第二侧部弯曲的背面造型155c中的每一者都是具有3.13mm的半径的半圆。但是，也可以使用具有3.5mm或更小的半径的其他半圆。小的半径将防止在3d打印过程期间变形。然而，需要调整诸如适配器的倾斜角度152、台阶部宽度、台阶部间隔距离等参数，以实现与当前参数组合整体优化类似的性能。
39.根据第二实施方式的成对脊部过渡台阶部被设计成提供比常规结构更高的阻抗匹配自由度。通过改变间隙的距离，可以进一步调节波阻抗以提供更好的结果。此外，成对的脊部过渡台阶部使得适配器能够具有更宽的操作带宽。这使得该适配器能够用于市场上更多的应用。
40.同轴波导适配器100以直立的方式进行3d打印，其中其材料中的一些材料悬垂在空气中。因此，倾斜角度等于或小于45度可以防止结构由于悬垂材料而变形。
41.由于同轴波导适配器100可以作为单个单元打印，因此不需要组装、固定或对准。这消除了由于适配器单独部分的不正确组装和未对准而导致的性能退化。快速制造过程使得公司能够按需打印适配器并且避免过度生产产品。
42.同轴波导适配器可以作为模式转换器用于k/ku波段雷达应用中。ku波段是在12ghz至18ghz的微波频率范围内的电磁频谱的一部分，而k波段是在8ghz至12ghz的微波频率范围内的电磁频谱的一部分。最终产品达到了工业性能标准并已通过验证。
43.已经测试了根据第一实施方式和第二实施方式的同轴波导适配器，并且现在将简要描述模拟结果。图7和图8示出了来自第一实施方式的模拟结果。从图7的模拟结果示出，由于金属表面的有限导电率、介质的损耗正切和超小型版本a(sma)连接器，存在0.07db的有限能量损耗。在9ghz至15ghz的频率范围内，回波损耗远低于20db。从图8的模拟结果示出，在9ghz至15ghz的频段内，可以实现1.22的最大vswr(电压驻波比)。图9和图10示出了根据图3.1至图3.3的波导的第二实施方式的模拟结果。如图9中所示，在9ghz至15ghz的频率范围内，回波损耗远低于20db。从图10的模拟结果示出，在9ghz至15ghz的频段内，可以实现1.18的最大vswr(电压驻波比)。
44.图11示出了对根据图4至图6的波导的第二实施方式的适配器的间隙距离及其对阻抗带宽的影响的参数研究。图12示出了根据图4至图6的波导的第二实施方式的适配器设
计的模拟反射系数(|s11|)和插入损耗(|s21|)。如图11中所示，操作带宽随间隙159的不同间隔距离而急剧变化。这意味着成对的脊部过渡台阶部可以通过在阻抗匹配方面提供较高的自由度而有效地增加操作带宽。此外，间隙设计可以减少制造过程中使用的材料。两个脊部之间的间隔对于实现良好的阻抗匹配是必要且关键的，因为它允许匹配过程中的高的自由度。
45.图12示出了在阻抗匹配期间实现的20db回波损耗。模拟结果示出，当上频边界的|s11|低于-20db时带宽比以前的设计更宽。具有低回波损耗的意义在于，它可以使适配器内产生的热最小化，延长适配器的寿命，并确保正常装置操作。此外，间隙的存在可以减少材料使用的量。
46.第一实施方式和第二实施方式中的弯曲的背面造型专门设计成使得能够进行3d打印。腔形状基于提供最宽的带宽和最低的vswr的模拟研究来选择。已经观察到，尖锐的拐角和形状将显著增加波导适配器的插入损耗。因此，在第一实施方式和第二实施方式中实施了弯曲的背面造型。
47.为了本公开的目的，mm指的是毫米，db指的是分贝，并且ghz指的是千兆赫。
48.以上是根据本公开的适配器、设备、装置和方法的示例性实施方式的描述。可预见的是，本领域技术人员能够并且将基于本公开来设计替代性装置。