一种波导同轴转换器的制作方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及到一种波导同轴转换器。

背景技术：
波导同轴转换器（Coax-WaveguideAdapter，CWA）天线馈电结构中用于连接波导和同轴电缆的器件，而正交波导同轴转换器以其设计简单，成为波导同轴转换器中最常用的一种。如附图1-a所示，现有的一种正交波导同轴转换器的前视图，附图1-b是对应于附图1-a的正交波导同轴转换器的左视图。附图1-a或附图1-b的水平部分是波导同轴转换器的波导连接构件101，垂直部分是同轴外导体102，波导连接构件101本质也是一段波导，使用正交波导同轴转换器时将波导连接构件101与波导连接，同轴外导体102的一端与同轴电缆连接。附图1-b中波导连接构件101的宽边尺寸为a，窄边尺寸为b。正交波导同轴转换器的同轴内导体103一般在波导连接构件101的宽边的中心以探针形式插入波导连接构件101的宽边中，同轴外导体102的另一端则与波导连接构件101的壁连接（例如焊接或通过螺丝连接）。通过调节同轴内导体103插入到插入波导连接构件101的深度d及其与波导连接构件101的波导短路端的距离l，理论上可以实现阻抗匹配。然而，上述实现阻抗匹配的方法只在一个频点上（通常选为频带中心频点）能够较好地满足，而通常情况下系统的工作带宽较大，因此，在所考虑带宽较大时，反射系数在整个频带内的平坦性仍然较差，对于某些对带内平坦度要求高的系统，这种不理想的反射系数平坦度会带来较为严重的影响。针对上述技术问题，现有技术提供的一种解决方案是分频段设计波导同轴转换器，另一种解决方案是在现有的波导同轴转换器基础上增加一个阻抗匹配器。对于通过分频段设计波导同轴转换器的解决方案，其成本高，而对于宽带系统，则需要多套设备实现一个系统，带来更多不便。对于通过增加阻抗匹配器的解决方案，其设计复杂，而且很难实现在较宽频带内系统匹配。

技术实现要素：
本发明实施例提供了一种波导同轴转换器，以简单的方式提高反射系数在带内的平坦度。第一方面，一种波导同轴转换器，包括：腔状波导连接构件、与所述腔状波导连接构件连接的同轴外导体以及沿所述同轴外导体轴向置于所述同轴外导体内部并插入所述腔状波导连接构件的同轴内导体，所述波导同轴转换器还包括：内置于所述腔状波导连接构件的空腔并用于减小波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率的电磁参数调整构件。结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述电磁参数调整构件由左手材料制作而成。结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述由左手材料制作的电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向装填于所述腔状波导连接构件的波导短路端一侧，并且所述电磁参数调整构件的每一侧面均与所述腔状波导连接构件的每一内壁无缝镶接。结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述由左手材料制作的电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向装填于所述腔状波导连接构件的波导短路端一侧，所述电磁参数调整构件至少具有一个侧面不与所述腔状波导连接构件的一个内壁无缝镶接。结合第一方面的第一、第二或第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，沿所述腔状波导连接构件的轴向，所述电磁参数调整构件尺寸不大于所述同轴内导体与所述腔状波导连接构件的短路端的距离。结合第一方面的第一、第二或第三种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述同轴内导体插入所述腔状波导连接构件的深度为d，所述同轴内导体与所述腔状波导连接构件的波导短路端距离为l，所述电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向尺寸为h，所述d、l和/或h的大小调节用于限定所述波导同轴转换器的有效波数的范围。第二方面，一种制作波导同轴转换器的方法，所述方法包括制作一个与所需连接的波导能够配合的腔状波导连接构件，将同轴外导体与所述腔状波导连接构件连接，将一同轴内导体沿所述同轴外导体轴向置于所述同轴外导体内部并插入所述腔状波导连接构件，所述方法还包括：将电磁参数调整构件内置于所述腔状波导连接构件的空腔，所述电磁参数调整构件用于对波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率进行调整的电磁参数调整构件。结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述电磁参数调整构件由左手材料制作而成。结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述将电磁参数调整构件内置于所述腔状波导连接构件的空腔包括：将所述由左手材料制作的电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向装填于所述腔状波导连接构件的波导短路端一侧，并且使所述电磁参数调整构件的每一侧面均与所述腔状波导连接构件的每一内壁无缝镶接。结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述将电磁参数调整构件内置于所述腔状波导连接构件的空腔，包括：将所述由左手材料制作的电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向装填于所述腔状波导连接构件的波导短路端一侧，并且所述电磁参数调整构件至少具有一个侧面不与所述腔状波导连接构件的一个内壁无缝镶接。结合第二方面的第一、第二或第三种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，沿所述腔状波导连接构件的轴向，所述电磁参数调整构件尺寸不大于所述同轴内导体与所述腔状波导连接构件的短路端的距离。结合第二方面的第一、第二或第三种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述方法还包括通过调节d、l和/或h的大小限定所述波导同轴转换器的有效波数的范围，所述d为所述同轴内导体插入所述腔状波导连接构件的深度，所述l为所述同轴内导体与所述腔状波导连接构件的波导短路端距离，所述h为所述电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向尺寸。本发明实施例提供的波导同轴转换器中，由于用于减小波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率的电磁参数调整构件是内置于腔状波导连接构件的空腔中，其并没有改变波导同轴转换器的外在几何形状和几何尺寸，因此，相比于通过分频段设计波导同轴转换器或者在现有的波导同轴转换器基础上增加一个阻抗匹配器来改善反射系数在带内的平坦度这些现有的解决方案，本发明实施例提供的波导同轴转换器实现方式简单易行，成本低廉，却能够有效改善反射系数在带内的平坦度。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1-a是现有技术提供的一种正交波导同轴转换器的前视图；图1-b是与图1-a示例的正交波导同轴转换器的前视图相应的左视图；图2-a是本发明实施例提供的波导同轴转换器的前视图；图2-b是本发明实施例提供的相应于图2-a的波导同轴转换器的前视图的左视图；图3-a是本发明另一实施例提供的波导同轴转换器的前视图；图3-b是本发明实施例提供的相应于图3-a的波导同轴转换器的前视图的左视图；图4-a是本发明另一实施例提供的波导同轴转换器的前视图；图4-b是本发明实施例提供的相应于图4-a的波导同轴转换器的前视图的左视图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅附图2-a和附图2-b，附图2-a是本发明实施例提供的一种波导同轴转换器的前视图，附图2-b是与附图2-a示例的前视图相应的左视图。附图2-a或附图2-b示例的波导同轴转换器（图中实线表示的部分）包括腔状波导连接构件201、与腔状波导连接构件201连接的同轴外导体202以及沿同轴外导体202轴向方向置于同轴外导体202内部并插入腔状波导连接构件201的同轴内导体203。对于附图2-a示例的波导同轴转换器，腔状波导连接构件201的左端为导电材料制作的短路端，其将左端封闭，构成腔的底部；腔状波导连接构件201的右端是腔的开口。波导同轴转换器在使用时，腔状波导连接构件201的右端与波导205连接，同轴外导体202没有与腔状波导连接构件201连接的一端与同轴电缆206连接。同轴外导体202与同轴内导体203之间是不导电的填充物，使得同轴内导体203能够固定在同轴外导体202中而不致左右晃动。与现有技术不同的是，附图2-a或附图2-b示例的波导同轴转换器还包括内置于腔状波导连接构件201的空腔并用于减小波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率的电磁参数调整构件204。由于反射系数在带内的平坦度与波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率是相关的，因此，若对波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率进行调整，则可以改善反射系数在带内的平坦度。对于附图2-a或附图2-b示例的波导同轴转换器，由于用于减小波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率的电磁参数调整构件是内置于腔状波导连接构件的空腔中，其并没有改变波导同轴转换器的外在几何形状和几何尺寸，因此，相比于通过分频段设计波导同轴转换器或者在现有的波导同轴转换器基础上增加一个阻抗匹配器来改善反射系数在带内的平坦度这些现有的解决方案，本发明实施例提供的波导同轴转换器实现方式简单易行，成本低廉，却能够有效改善反射系数在带内的平坦度。作为本发明一个实施例，附图2-a或附图2-b示例的波导同轴转换器，电磁参数调整构件可以由左手材料（Left-HandedMaterial，LHM）制作而成。所谓左手材料（或者称为“负折射率材料”），是相对于在电磁波传输过程中使得电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成右手螺旋关系的介质而言，具体是指介电常数（ε）和磁导率（μ）同时为负数（即μ<0且ε<0）的材料，在左手材料这种介质中，电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成左手螺旋关系。以下说明将由左手材料制作而成的电磁参数调整构件204内置于附图2-a或附图2-b示例的腔状波导连接构件201的空腔时，其能够对波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率进行调整，进而改善反射系数在带内的平坦度的原因。对于未放置左手材料的波导同轴转换器，其输入阻抗表达式如下：其中，e1、e2为由两个与波模式、频率有关的积分确定的常数，g0、gm是与模式相关的系数。对于未放置左手材料的波导同轴转换器，其腔状波导连接构件内填充的是空气，故（5）和（6）式中的k为所讨论频率在自由空间的波数k0。在波导同轴转换器中装填了左手材料制作的电磁参数调整构件204后，由于其介电常数ε和磁导率μ同时为负数，因此等价于改变了波导同轴转换器的有效介电常数和磁导率，相当于该变了波在其中的有效波数ke，ke是自由空间波数k0、波导同轴转换器的几何参数a、b、d、l、左手材料波数k1和h的函数：ke=ke(k0,-k1,a,b,d,l,h)…………(7)设左手材料的电磁参数为(-μ1,-ε1)，由有效介电常数方法可以得到本发明实施例提供的波导同轴转换器的有效波数ke近似满足关系式：上述（7）式和\或（8）中，a为腔状波导连接构件201的宽边尺寸，b为腔状波导连接构件201的窄边尺寸，d为同轴内导体203沿同轴外导体202轴向插入腔状波导连接构件201的深度，l为沿腔状波导连接构件201的轴向，同轴内导体203与腔状波导连接构件201的短路端的距离，h为电磁参数调整构件204沿腔状波导连接构件201的轴向尺寸，η0是自由空间波阻抗，λ0是自由空间波长，d、l和/或h的作用在于，通过调节它们的大小，可以将波导同轴转换器的有效波数ke限定在一定范围内，例如，使有效波数ke变得更小。由于有效波数ke与有效介电常数εre、有效磁导率μre、自由空间波数k0存在如下关系：而自由空间波数k0的取值范围在频率范围不变时也不变，因此，当通过等价减小正交波导同轴转换器的有效介电常数εre和有效磁导率μre，使得有效波数ke的有效范围变窄，则等效于将工作带宽进行了压缩，从而使得反射系数在频带内的平坦度变好即变得更加平坦。对于（8）式的超越方程，无需寻找ke的显式解。事实上，由于左手材料带入的负传播常数（介电常数ε和磁导率μ同时为负数），此时，只要适当地调节d、l和/或h的值就可以将有效波数ke的取值范围限定在一个比未放置左手材料制作的电磁参数调整构件204时更窄的合适的区间内，从而使得整个实际频带内的反射系数呈现更好的平坦度，这个寻找有效波数ke的过程可以由数值计算完成，例如，可以编程计算，而后给出一些参数表格（类似于特殊函数手册中的表格），从而可以查表得到大致关系。作为本发明一个实施例，附图2-a或附图2-b示例的由左手材料制作而成的电磁参数调整构件204沿腔状波导连接构件201的轴向装填于腔状波导连接构件201的波导短路端一侧，如附图3-a或附图3-b所示，其中，附图3-a是本发明另一实施例提供的一种波导同轴转换器的前视图，附图3-b是与附图3-a示例的前视图相应的左视图。附图3-a或附图3-b示例的左手材料制作的电磁参数调整构件304至少具有一个侧面不与腔状波导连接构件201的一个内壁无缝镶接，例如，左手材料制作的电磁参数调整构件304的一个侧面与腔状波导连接构件201的上内壁有一定间隔或缝隙，此时，电磁参数调整构件304的横向截面小于腔状波导连接构件201的内壁围成的几何体的横向截面，表明左手材料制作的电磁参数调整构件304只是填充了腔状波导连接构件201短路端一侧的部分空间。作为本发明另一实施例，附图2-a或附图2-b示例的由左手材料制作而成的电磁参数调整构件204沿腔状波导连接构件201的轴向装填于腔状波导连接构件201的波导短路端一侧，如附图4-a或附图4-b所示，其中，附图4-a是本发明另一实施例提供的一种波导同轴转换器的前视图，附图4-b是与附图4-a示例的前视图相应的左视图。附图4-a或附图4-b示例的左手材料制作的电磁参数调整构件404的每一侧面均与腔状波导连接构件201的每一内壁无缝镶接，也即电磁参数调整构件404的横向截面与腔状波导连接构件201的内壁围成的几何体的横向截面形状相同、大小相等。相比于附图3-a或附图3-b示例的电磁参数调整构件304，附图4-a或附图4-b示例的电磁参数调整构件404，一方面，使得更易于给出对整个波导同轴转换器的解析分析以及由分析结果形成的经验表格，以便供后续设计同类波导同轴转换器时查表使用，另一方面，电磁参数调整构件404的每一侧面均与腔状波导连接构件201的每一内壁无缝镶接这一连接方式，避免在多个方向上引入边界不连续性，能够减小高次模的幅度和模式数，从而降低波导同轴转换器的插损。上述附图2-a至附图4-b任一实施例提供的波导同轴转换器中，沿腔状波导连接构件201的轴向，电磁参数调整构件尺寸不大于同轴内导体203与腔状波导连接构件201的短路端的距离。本发明实施例还提供一种制作波导同轴转换器的方法，包括：制作一个与所需连接的波导能够配合的腔状波导连接构件，将同轴外导体与所述腔状波导连接构件连接，将一同轴内导体沿所述同轴外导体轴向置于所述同轴外导体内部并插入所述腔状波导连接构件。与现有技术不同的是，本发明实施例提供的制作波导同轴转换器的方法还包括：将电磁参数调整构件内置于所述腔状波导连接构件的空腔，所述电磁参数调整构件用于对波导同轴转换器的有效介电常数和有效磁导率进行调整的电磁参数调整构件。在上述制作方法中，电磁参数调整构件由左手材料制作而成。基于电磁参数调整构件由左手材料制作而成的实施例，作为本发明制作方法的一个实施例，将电磁参数调整构件内置于所述腔状波导连接构件的空腔包括：将所述由左手材料制作的电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向装填于所述腔状波导连接构件的波导短路端一侧，并且所述电磁参数调整构件至少具有一个侧面不与所述腔状波导连接构件的一个内壁无缝镶接。为了更易于给出对整个波导同轴转换器的解析分析和由分析结果形成的经验表格，以便供后续设计同类波导同轴转换器时查表使用，以及避免在多个方向上引入边界不连续性，减小高次模的幅度和模式数，降低波导同轴转换器的插损，基于电磁参数调整构件由左手材料制作而成的实施例，作为本发明制作方法的另一实施例，将电磁参数调整构件内置于所述腔状波导连接构件的空腔包括：将所述由左手材料制作的电磁参数调整构件沿所述腔状波导连接构件的轴向装填于所述腔状波导连接构件的波导短路端一侧，并且使所述电磁参数调整构件的每一侧面均与所述腔状波导连接构件的每一内壁无缝镶接。在上述制作波导同轴转换器的方法的实施例中，沿所述腔状波导连接构件的轴向，所述电磁参数调整构件尺寸不大于所述同轴内导体与所述腔状波导连接构件的短路端沿所述腔状波导连接构件的距离。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。