同轴—波导适配器

同轴
—
波导适配器
技术领域
1.本实用新型属于微波技术领域，更具体地说，是涉及一种同轴—波导适配器。


背景技术：

2.同轴—波导适配器是用于微波网络测量的无源标准件之一，用于实现同轴线和波导两种微波传输线之间的传输模式转换和阻抗匹配。同轴—波导适配器需要具备传输损耗低、结构紧凑、便于加工和装配的技术特点。传统技术中，通常采用在矩形波导中设置阶梯阻抗变换段或多级脊波导等不连续性结构，用于实现同轴传输线至矩形波导之间的宽带过渡，缺点在于：采用计算机数控(cnc)铣制造时，需要拆分为多块加工，再进行拼接装配；用于过渡的不连续性结构不完全兼容3-d打印工艺，若用3-d打印工艺期望一体化地制造传统结构的同轴—波导适配器，后处理难度大，适配器的质量难以保证；阶梯阻抗变换段或多级脊波导等不连续性过渡结构需要的波导长度太长，牺牲了适配器结构的紧凑性。


技术实现要素：

3.本实用新型实施例的目的在于提供一种同轴—波导适配器，旨在提供一种结构简单紧凑且高度兼容3-d打印工艺的同轴—波导适配器结构解决方案，在获得宽带、低损耗传输性能的同时，增强同轴—波导适配器对3-d打印工艺的结构兼容性和选择灵活性，使其一体化制造成型成为可能，显著减少其装配的难度和成本。
4.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种同轴—波导适配器，包括金属壳体和同轴连接器，所述金属壳体的内部具有依次平滑连接的椭圆寄生腔体、第一过渡腔体和椭圆波导腔体，所述椭圆寄生腔体和所述椭圆波导腔体的横截面均为椭圆形，所述金属壳体上具有贯穿其表面并与所述椭圆寄生腔体连通的同轴连接器插孔，所述同轴连接器插入所述同轴连接器插孔内。
5.在一个实施例中，所述同轴连接器插孔的轴线与所述椭圆寄生腔体的椭圆长轴垂直，且所述同轴连接器插孔的轴线和所述椭圆寄生腔体的椭圆短轴共同所在的平面为所述同轴连接器的对称面。
6.在一个实施例中，所述椭圆寄生腔体的其中一端与所述第一过渡腔体连通，另一端具有短路面，所述短路面与所述同轴连接器插孔的轴线之间的距离为四分之一波导波长。
7.在一个实施例中，所述金属壳体的一端具有波导法兰盘，所述波导法兰盘开设有矩形波导，所述矩形波导的其中一端为矩形波导口，所述矩形波导的另外一端与所述椭圆波导腔体连通。
8.在一个实施例中，所述金属壳体的内部还具有第二过渡腔体，所述椭圆波导腔体、所述第二过渡腔体和所述矩形波导依次平滑连接。
9.在一个实施例中，所述椭圆波导腔体的椭圆长轴长度大于所述矩形波导的宽边长度，所述椭圆波导腔体的椭圆短轴长度与所述矩形波导的窄边长度相等。
10.在一个实施例中，所述椭圆寄生腔体的椭圆长轴长度与所述椭圆波导腔体的椭圆长轴长度相等，所述椭圆寄生腔体的椭圆短轴长度大于所述椭圆波导腔体的椭圆短轴长度。
11.在一个实施例中，所述椭圆寄生腔体和所述椭圆波导腔体侧壁上开设有贯穿所述金属壳体的条形孔。
12.在一个实施例中，所述金属壳体的表面凸起设置有用于定位所述同轴连接器的定位柱。
13.在一个实施例中，所述定位柱的数量为两个，且分别设于所述同轴连接器插孔的两侧，两个所述定位柱关于同轴连接器的对称面对称设置，所述同轴连接器插孔的轴线和所述椭圆波导腔体的椭圆短轴共同所在的平面为所述同轴连接器的对称面。
14.本实用新型提供的同轴—波导适配器的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型同轴—波导适配器通过设置平滑连接的椭圆寄生腔体、第一过渡腔体以及椭圆波导腔体的结构，实现了从同轴传输线到矩形波导的传输模式转换和阻抗匹配，在宽频段范围内实现了低损耗、低反射的传输性能。同轴—波导适配器通过第一过渡腔体平滑连接椭圆寄生腔体和椭圆波导腔体，作为传统过渡结构的替代方案，增强了同轴—波导适配器腔体结构对3-d打印工艺的兼容性，便于同轴—波导适配器壳体一体化制造成型，显著降低装配难度和成本。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
16.图1为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器的立体结构图；
17.图2为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器的金属壳体沿矩形波导宽边中心线的立体半剖视图；
18.图3为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器的内腔的仿真模型结构图；
19.图4(a)为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器仿真和测量的散射参数(s
11
、s
12
、s
21
和s
22
)在ka全频段的频率响应曲线图；
20.图4(b)为图4(a)中s
12
和s
21
参数的拉近视图；
21.图5为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器仿真和测量的射频损耗曲线图；
22.其中，图中各附图标记：
23.1-金属壳体；11-椭圆寄生腔体；12-第一过渡腔体；13-椭圆波导腔体；14-第二过渡腔体；15-同轴连接器插孔；16-定位柱；13-条形孔；2-波导法兰盘；21-矩形波导；22-通孔；3-同轴连接器；31-内导体；32-介质层。
具体实施方式
24.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
25.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
26.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.现对本实用新型实施例提供的同轴—波导适配器进行说明。
29.在本实用新型提供的一个实施例中，请参阅图1、图2和图3，图1为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器的立体结构图，图2为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器的金属壳体沿矩形波导宽边中心线的立体半剖视图，图3为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器的内腔的仿真模型结构图。同轴—波导适配器包括金属壳体1和同轴连接器3，金属壳体1可由金属制成，也可由非金属制造成型后在其整个表面涂覆金属材料制成。金属壳体1的内部至少具有依次平滑连接的椭圆寄生腔体11、第一过渡腔体12和椭圆波导腔体13。椭圆寄生腔体11和椭圆波导腔体13的横截面(垂直于电磁波在波导中的传播方向)均为椭圆形。和传统具有矩形横截面的矩形波导相比，椭圆波导中的传播主模具有相似的电磁场分布，因此可以替代传统的矩形波导过渡结构实现同轴传输线tem模到矩形波导te
10
模的转换。更有意义的是，椭圆波导和矩形波导相比，其结构特点为：一、腔体边界条件连续，不存在拐点；二、根据3-d打印的工艺原理分层堆叠结构材料，椭圆波导在任意旋转角度下进行分层堆叠时，内腔轮廓均不存在无法支撑的悬挂结构，悬挂结构是指在分层堆叠的过程中，上层结构相对相邻的下层结构产生结构突变(材料增加)，悬挂结构会导致上层结构相对下层结构增加的材料无法通过下层结构支撑，容易出现坍塌现象。因此，椭圆波导更兼容3-d打印工艺，且兼容多种形式的3-d打印工艺。第一过渡腔体12用于平滑连接椭圆寄生腔体11和椭圆波导腔体13，使金属壳体1的内壁平滑且无突变结构。椭圆寄生腔体11的作用在于实现宽带阻抗匹配，通过设置椭圆寄生腔体11，避免使用阶梯阻抗变换器，使同轴—波导过渡结构更加紧凑。设置平滑连接的椭圆寄生腔体11、第一过渡腔体12和椭圆波导腔体13，使整个内腔表面具有平滑的轮廓，无任何突变的不连续性结构。上述对波导内腔的塑形设计增强了腔体结构对3-d打印工艺的兼容性。金属壳体1上具有同轴连接器插孔15，同轴连接器插孔15贯穿金属壳体1设置，且与椭圆寄生腔体11连通。
30.上述实施例中的同轴—波导适配器通过设置平滑连接的椭圆寄生腔体、第一过渡腔体和椭圆波导腔体，实现了从同轴传输线到矩形波导的传输模式转换和阻抗匹配，在宽
频段范围内实现了低损耗、低反射的传输性能。同轴—波导适配器通过第一过渡腔体平滑连接椭圆寄生腔体和椭圆波导腔体，作为传统过渡结构的替代方案，显著增强了同轴—波导适配器腔体结构对3-d打印工艺的兼容性，便于同轴—波导适配器的壳体一体化增材制造成型，降低装配难度和成本。
31.请参阅图1及图3，同轴连接器3具有用于插入同轴连接器插孔15内部的内导体31和介质层32，介质层32包裹于内导体31的外周，同轴连接器插孔15的孔壁作为同轴传输线的外导体。
32.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图1至图3，同轴连接器插孔15的轴线与椭圆寄生腔体11的椭圆长轴垂直设置，同轴连接器插孔15的轴线与椭圆寄生腔体11的椭圆短轴平行设置。同轴连接器插孔15的轴线位于椭圆寄生腔体11的椭圆长轴的中垂面上，即，同轴连接器插孔15的轴线和椭圆寄生腔体11的椭圆短轴共同所在的平面为对称面，该对称面对称平分同轴连接器3。如此设置使同轴连接器内导体沿波导横截面电场强度最大的位置和方向插入，激励起波导的主模，避免激励起高次模，从而提高过渡结构的主模转换效率。
33.请参阅图3，椭圆寄生腔体11的其中一端与第一过渡腔体12连通，椭圆寄生腔体11的另外一端为短路面，短路面和同轴连接器插孔15的轴线之间的距离为四分之一波导波长。
34.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图1及图2，金属壳体1的一端具有波导法兰盘2，波导法兰盘2上开设有矩形波导21。矩形波导21的一端为矩形波导口，矩形波导21的另外一端与椭圆波导腔体13连通。波导法兰盘2上还开设有多个用于与外电路进行螺丝连接的通孔22，通孔22的数量为四个。波导法兰盘2和通孔22的尺寸为国标代码bj100标准中的wr-28标准矩形波导法兰盘和通孔尺寸。金属壳体1的表面凸起设置有定位柱16，定位柱16用于定位并安装同轴连接器3。定位柱16的数量可为两个或四个，需要根据实际的同轴连接器上的安装孔数量和尺寸规范设置。例如，本实用新型实施例中，定位柱16的数量为两个，分别设置于同轴连接器插孔15的两侧，且关于同轴连接器3的对称面对称设置。同轴连接器插孔15的轴线和椭圆波导腔体13的椭圆短轴共同所在的平面为上述的同轴连接器3的对称面。
35.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图3，金属壳体1的内部还具有第二过渡腔体14，第二过渡腔体14用于连接椭圆波导腔体13和矩形波导21，使椭圆波导腔体13和矩形波导21能够平滑连接，避免波导不连续性造成的反射，增强腔体结构对3-d打印工艺的兼容性。
36.在本实用新型的其中一个实施例中，椭圆波导腔体13的椭圆长轴长度大于矩形波导的宽边长度，椭圆波导腔体13的椭圆短轴长度与矩形波导的窄边长度相等，椭圆寄生腔体11的椭圆长轴长度与椭圆波导腔体13的椭圆长轴长度相等，椭圆寄生腔体11的椭圆短轴长度大于椭圆波导腔体13的椭圆短轴长度。通过仿真优化椭圆寄生腔体11和椭圆波导腔体13的椭圆长轴和短轴长度可以获得宽带、低反射的射频响应。
37.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图1，椭圆寄生腔体11和椭圆波导腔体13的侧壁上均开设有贯穿金属壳体1的条形孔17，便于在金属壳体1制造成型的过程中对内腔表面进行后处理。当金属壳体1内还具有第二过渡腔体14时，第二过渡腔体14的侧壁上也
可开设贯穿金属壳体1的条形孔17。可选地，金属壳体1的两个侧面对称地开设有多个条形孔17。条形孔17的长度方向垂直于矩形波导21的宽边所在平面，条形孔17沿着长度方向的首尾两端可进行圆角化处理，以增强开孔结构对3-d打印工艺的兼容性。条形孔17的长度不超过金属壳体1内部空气腔的纵向高度，条形孔17的宽度和间距可以灵活设置，前提条件是确保金属壳体1不产生辐射且具备足够的机械强度。
38.为了实验验证本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器的射频性能，采用高精度的金属选择性激光烧结3-d打印工艺将同轴—波导适配器的金属壳体1用铝合金粉末alsi10mg一体化制造成型，并对制造成型的金属壳体1的全部内外表面进行喷砂和电镀铜，这些后处理有助于进一步减小金属壳体1的射频损耗。最后，用高电导率的银环氧树脂将同轴连接器粘接到金属壳体1上，完成同轴—波导适配器的装配。金属壳体1的一体化制造成型也可以采用非金属3-d打印工艺，并辅之以化学镀铜或化学镀银等工艺实现壳体整个表面的金属化。
39.请参阅图4(a)、图4(b)和图5，图4(a)和图4(b)为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器仿真和测量的散射参数(s参数)曲线图，其中图4(a)为s
11
、s
12
、s
21
和s
22
参数在ka全频段的频率响应曲线图，图4(b)为图4(a)中s
12
和s
21
参数的拉近视图，图5为本实用新型实施例提供的一种同轴—波导适配器仿真和测量的射频损耗曲线图。可以看出，在整个ka频段，单个同轴—波导适配器测量的同轴端口和波导端口的回波损耗分别为14
–
26db和14
–
30db，测量的插入损耗小于0.8db，测量的包括导体损耗和介质损耗在内的总射频损耗(1-|s
11
|
2-|s
21
|2)小于0.6db。测量的端口回波损耗与仿真结果相比有一定恶化，主要原因为：(1)金属打印的壳体存在工艺本身属性带来的永久性形变和加工误差；(2)金属壳体1和同轴连接器3的装配误差。
40.其中，图4(a)、图4(b)和图5中使用的同轴—波导适配器的部分关键结构尺寸如下，需要说明的是，同轴—波导适配器的结构尺寸并不限于以下尺寸。
41.矩形波导21的宽边长度和窄边长度分别为7.112毫米和3.556毫米。同轴连接器3使用2.92mm规格介质穿墙式连接器，其内导体31的直径为0.3毫米，长度为4.5毫米，介质层32的厚度为1.67毫米，长度为3毫米。金属壳体1(不含波导法兰盘2)的长度为14.7毫米，宽度为15.11毫米，高度为8.18毫米，为保证金属壳体1的机械强度和装配尺寸，金属壳体1的厚度设置在2.1毫米至4毫米之间。同轴连接器3的内导体31所在轴线距离椭圆寄生腔体11的短路面3.9毫米，其内导体31底端距离金属壳体1外部上表面4.5毫米。条形孔17的长度为3.556毫米和2.556毫米，宽度为0.8毫米，间距为1毫米。椭圆寄生腔体11和椭圆波导腔体13的长轴长度为7.48毫米，短轴长度为3.556毫米。
42.在本实用新型所提供的实施例中，应该理解到，所公开的结构和加工方法，可以通过其它的方式实现。例如，上述同轴—波导适配器实施例的制造方案可以为非金属3-d打印或金属3-d打印工艺，结构和关键尺寸也仅仅是示意性的，仅仅为该类型同轴—波导适配器在ka频段一种可实现的物理结构。实际中，可以遵循该类型同轴—波导适配器的设计原理设计在其它频段。
43.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。