本發(fā)明涉及波導，尤其涉及一種同軸-矩形波導模式轉(zhuǎn)換器。

背景技術：

1、x波段（8-12?ghz）是高功率微波天線設計領域重點研究的工作頻段，在此波段內(nèi)國家規(guī)定了bj-84（6.57-9.99?ghz）和bj-100（8.2-12.5?ghz）兩種矩形波導端口尺寸國家標準。而bj-84標準波導的端口尺寸比bj-100標準波導的端口尺寸偏大，對于工作在7.9-8.9?ghz目標頻段的大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)應用，bj-84端口的矩形波導一方面會極大地增加系統(tǒng)的尺寸，導致高功率微波天線陣列的陣元數(shù)目減少，從而使得陣列天線的增益降低；另一方面，會顯著增加高功率微波系統(tǒng)的整體重量，極大地限制了高功率微波系統(tǒng)的便攜性和搭載平臺的靈活性。因此，采用尺寸更緊湊的bj-100標準端口矩形波導針對工作在7.9-8.9?ghz目標頻段的輻射天線進行饋電。

2、現(xiàn)有的基于bj-100標準波導端口的階梯結構轉(zhuǎn)換器設計的-15?db阻抗帶寬在x波段內(nèi)往往能夠覆蓋2-4?ghz甚至更寬的工作頻帶。天線作為一種無源的帶通濾波器，若其工作頻帶過于寬會導致天線接收到其它頻段的電磁波，或者天線發(fā)射出的電磁波會被其它頻段的終端接收，而產(chǎn)生不必要的電磁干擾。因此，有必要針對目標頻段工作的天線設計專門的電磁波模式轉(zhuǎn)換器件。

3、現(xiàn)有的同軸-矩形波導轉(zhuǎn)換器設計一般采用搭載在波導的正上方的同軸探針進行垂直頂饋式饋電。在大型天線陣列系統(tǒng)應用中，該類型同軸-矩形波導不利于與搭載了復雜線束的高功率微波系統(tǒng)后端的器件集成，因此需要設計一種背饋式的同軸-矩形波導轉(zhuǎn)換器。

4、不同微波傳輸線工作所需的電磁波輻射模式和特征阻抗各不相同，同軸線所需的是特征阻抗為50?ω的tem模輻射，而矩形波導所需的是特征阻抗通常大于120?ω的te10模輻射，直接將同軸線以背饋式集成在矩形波導的后方無法有效地激勵起矩形波導的te10模輻射。因此，需要專門在同軸和矩形波導之間設計過渡結構以實現(xiàn)不同傳輸線之間的阻抗匹配和模式轉(zhuǎn)換。

5、通過對已公開的高功率微波同軸-矩形波導模式轉(zhuǎn)換器研究進行總結，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的高功率微波轉(zhuǎn)換器分為兩種手段：一種是在矩形波導內(nèi)部設置t型結構的t型轉(zhuǎn)換器。當采用垂直頂饋式饋電時，t型轉(zhuǎn)換器無法與大型天線陣列集成；而采用背饋式饋電時，t型轉(zhuǎn)換器的帶寬過窄，無法滿足目標頻段的基本帶寬需求。而實現(xiàn)背饋式高功率寬帶性能模式轉(zhuǎn)換器件一般采用基于切比雪夫響應n階λ?4阻抗變換法設計n階-階梯結構方法來實現(xiàn)同軸線和矩形波導之間的寬頻帶tem-te10模式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)原理如下：

6、將同軸線插入矩形波導內(nèi)部以激勵矩形波導的同軸線tem特性阻抗值為：

7、；

8、其中，和分別為同軸線的輸入阻抗和同軸線的介質(zhì)材料的介電常數(shù)，和分別為同軸線的內(nèi)徑和外徑。矩形波導內(nèi)部的主模te10的特征阻抗計算方法為：

9、；

10、其中，λ是微波器件工作時的相對波長。由切比雪夫響應n階λ?4阻抗變換法可以得到同軸線到矩形波導特性阻抗的變換比為：

11、；

12、相對帶寬為：

13、；

14、其中，和分別代表起始和截止頻率對應的相對波長。以上各式可以確定切比雪夫型阻抗變換器的階數(shù)n為：

15、；

16、其中，為頻段中最大反射系數(shù)，為向下取整函數(shù)，為反雙曲余弦函數(shù)，為余割函數(shù)。

17、n階-階梯結構的阻抗變換轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是結構簡單，易加工實物，而其缺點是階梯數(shù)n一般為3階或4階，相當程度上增加了矩形波導的縱向尺寸，在陣列系統(tǒng)中應用會在尺寸和重量方面造成較大的負擔。

18、因此，需要設計一種新結構優(yōu)化甚至取代傳統(tǒng)的n階-矩形階梯結構。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于公開一種同軸-矩形波導模式轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)背饋式t型轉(zhuǎn)換器的帶寬拓展及小型化。

2、為達上述目的，本發(fā)明公開的同軸-矩形波導模式轉(zhuǎn)換器包括：

3、矩形波導，一端開口，一端封閉并留有同軸接頭插入用縫隙；

4、設置于所述矩形波導內(nèi)部的過渡段結構；

5、所述同軸接頭包括同軸探針和嵌入所述矩形波導封閉端縫隙的介質(zhì)材料，所述同軸探針與所述矩形波導內(nèi)部的過渡段結構連接；

6、所述過渡段結構包括：與所述同軸探針連接的前置矩形阻抗匹配枝節(jié)，所述前置矩形阻抗匹配枝節(jié)的另一端與所述矩形漸變結構連接，所述矩形漸變結構中嵌入有漸變螺旋式過渡結構的局部；其中，所述漸變螺旋式過渡結構懸空部分的圈層以由大到小的趨勢向外延伸，且延伸方向與所述同軸探針的延伸方向平行。

7、優(yōu)選地，所述矩形漸變結構包括與所述矩形波導連接的第一矩形阻抗匹配枝節(jié)，套在所述第一矩形阻抗匹配枝節(jié)中間部分外圍的第二矩形阻抗匹配枝節(jié)，所述第二矩形阻抗匹配枝節(jié)底面與第三矩形阻抗匹配枝節(jié)連接，所述第二矩形阻抗匹配枝節(jié)側(cè)面與所述前置矩形阻抗匹配枝節(jié)連接，所述第三矩形阻抗匹配枝節(jié)的底面與第四矩形阻匹配枝節(jié)連接；所述第四矩形阻匹配枝節(jié)、所述第三矩形阻抗匹配枝節(jié)及所述第二矩形阻抗匹配枝節(jié)的水平截面的面積以從小到大的趨勢漸變；所述漸變螺旋式過渡結構的嵌入所述第二矩形阻抗匹配枝節(jié)中。

8、優(yōu)選地，所述螺旋式過渡結構的漸變螺旋線方程為：

9、；

10、其中，為螺旋線初始半徑，為螺旋線上升角，為螺旋線圈數(shù)，、和分別表示三維坐標系的三個方向，坐標系原點為所述矩形波導封閉端的中心點，方向為垂直于封閉端的所述漸變螺旋式過渡結構懸空部分的圈層以由大到小的趨勢向外延伸方向。

11、優(yōu)選地，所述漸變螺旋式過渡結構的螺旋圈數(shù)介于3與4之間。

12、優(yōu)選地，所述漸變螺旋式過渡結構與所述第二矩形阻抗匹配枝節(jié)形成兩個固定支點，且螺旋圈數(shù)為3.2。

13、優(yōu)選地，所述前置矩形阻抗匹配枝節(jié)的豎直截面的面積小于所述第二矩形阻抗匹配枝節(jié)的豎直截面的面積。

14、優(yōu)選地，所述同軸探針采用圓柱形金屬棒，所述介質(zhì)材料采用介電常數(shù)為2.2的ptfe（polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯）。

15、優(yōu)選地，所述矩形波導的端口符合bj-100型號的國家標準，且開口端設置防止電擊穿用倒角。

16、優(yōu)選地，除所述螺旋式過渡結構之外的部分呈左右對稱結構。

17、優(yōu)選地，所述矩形波導在方向的縱向長度為18.3?mm；

18、所述同軸探針采用半徑為0.61?mm的圓柱形金屬棒，切插入矩形波導的深度為3mm；

19、所述前置矩形阻抗匹配枝節(jié)在、和方向的尺寸分別為9.85?mm，2.1?mm和2.45?mm；

20、所述第一矩形阻抗匹配枝節(jié)在、和方向的尺寸分別為22.86?mm，1.6?mm和5mm；

21、所述第二矩形阻抗匹配枝節(jié)在、和方向的尺寸分別為16?mm，2?mm和6.2mm；

22、所述第三矩形阻抗匹配枝節(jié)在、和方向的尺寸分別為17.2?mm，2.3?mm和4.3?mm；

23、所述第四矩形阻抗匹配枝節(jié)在、和方向的尺寸分別為9.84?mm，4.26?mm和2.45?mm；

24、所述漸變螺旋式過渡結構的初始半徑、截面長度、截面寬度、上升角和圈數(shù)分別為10?mm，0.3?mm，0.15?mm，19°和3.2圈；起始點坐標為（6.37?mm，0?mm，9.7?mm）。

25、本發(fā)明具有以下有益效果：

26、1、能在x波段（7.9-8.9?ghz）內(nèi)實現(xiàn)同軸線到bj-100端口標準的矩形波導的阻抗匹配，并為輻射天線提供合適的電磁波輻射模式。

27、2、采用漸變螺旋結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的n階-矩形階梯結構并加載在t型轉(zhuǎn)換器上，解決了垂直頂饋式t型同軸-矩形波導轉(zhuǎn)換器無法在大型高功率微波陣列中應用以及背饋式t型同軸-矩形波導轉(zhuǎn)換器帶寬過窄的問題，與傳統(tǒng)的n階-階梯過渡段相比，減少矩形波導的縱向尺寸，實現(xiàn)背饋式轉(zhuǎn)換器的小型化。

28、3、本發(fā)明技術可推廣至雷達探測、定向能照射以及高能粒子射頻加速等高功率微波場景中應用。