一种波导同轴转换器

技术领域

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- Waveguide Adapter, 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筒单， 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—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 及其与波导连接构件 101的波导短路端的距离 I, 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 艮难实现在较宽频带内系统匹配。 技术问题

本发明实施例提供了一种波导同轴转换器， 以筒单的方式提高反射系数在 带内的平坦度。 技术解决方案

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 I,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 , 所述 ί、 /和 /或 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 ί、 /和 /或 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 I为所述同轴内导体与所述腔状波导连接构件� �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� �构件的轴向尺 寸。 有益效果

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筒单易 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筒单 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。 本发明的实施方式

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 筒单易行， 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-Handed Material, 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 （〃） 同时为负数（即〃 <0 i <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：

^ll ^— <?0^0 ∑<?m ^m (2)

, ! , , mnd

P k(coskd - cos b ) sin kd (5)

(1 - cos kd) (6)

£¾为由两个与波模式、 频率有关的积分确定的常数， g ₀ 、 g _m 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 为所讨论频率在自由空间的波数 fc ₀ 。

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 磁导率 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 ， 是自由空间波数 fc。、 波导同轴转换器的几何参数 、 b、 d、 I、 左手材料波数 的函数：

k _e = k _e (k _Q -k _x ,a,b, d,£, h) (7) 设左手材料的电磁参数为（-Α,-Α) ,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 近似满足关系式：

上述（7 ) 式和 \或 （8 ) 中， α为腔状波导连接构件 201的宽边尺寸， 为腔 状波导连接构件 201的窄边尺寸， 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， /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， /;。是自由空间波阻抗， Λ是自由空间波长， d、 I 和 /或 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 ^限定在一定范围内， 例如， 使有效波数 变得更小。

由于有效波数 与有效介电常数 、 有效磁导率 _re 、 自由空间波数。存在 如下关系： = k。^^ , 而自由空间波数 。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 和有效磁 导率 , 使得有效波数 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 ^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 口磁导率/同时为负数）， 此时， 只要适当地调节 ί、 /和 /或 的值就可以将 有效波数 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 k _e 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, —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。