CN108400414A - 适用于多种传输线的弯折传输线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于多种传输线的弯折传输线，包括至少一根输入传输线和一根输出传输线，和一条电磁通道。所述输入传输线和输出传输线分别通过其一个一定角度的切面或一个侧面或一个侧面的一部分与电磁通道的两个端面中的一个连通。所述电磁通道由至少一条支路构成。至少一条该支路由至少3个沿Y方向连通的通孔构成。该弯折传输线可以实现各种波导、脊波导和多脊波导的宽带紧凑弯折过渡。本发明主要用于微波、毫米波和太赫兹波段的各种通信和雷达系统中。

Description

适用于多种传输线的弯折传输线

技术领域

本发明涉及一种电磁波元件，具体地说，是涉及一种使一条传输线与另一条传输线弯折匹配连通的电磁波结构。

背景技术

在各种电磁波系统中，传输线之间的弯折连接普遍存在。由于弯折处带来的寄生效应，传输线中的信号将被反射。为了实现弯折传输线的匹配，需要在传输线上设置匹配电路。

已有的匹配电路结构复杂、体积大，而且带宽较窄，特别是在矩形波导、单脊矩形波导、双脊矩形波导和四脊矩形，圆波导或椭圆波导、单脊圆波导或椭圆波导、双脊圆波导或椭圆波导，和四脊圆波导或椭圆波导的弯折连接中。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑型弯折传输线，与现有技术相比，结构更简单、加工更方便、工作频率宽。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：适用于多种传输线的弯折传输线，包括至少一根输入传输线和一根输出传输线，和一条电磁通道。电磁通道的两端面分别为一平面A和平面B的一部分。所述输入传输线和输出传输线分别通过其一个切面或侧面与电磁通道的两个端面中的一个连通。所述电磁通道由至少一条支路构成。至少一条该支路由至少3个沿Y方向连通的通孔构成。所述电磁通道的最大长度t为分别位于该电磁通道的两个端面上的任意两点的连线在Z方向上的投影长度的最大值；该弯折传输线的中心工作频率定义为SQRT(f1*f2)；其中f1为该弯折传输线的最低工作频率，f2为该弯折传输线的最高工作频率，SQRT为平方根函数；X轴和Y轴位于该电磁通道的一个端面的平面内，并且X轴、Y轴和Z轴符合右手定则；任意通孔的最大宽度为该通孔上的任意两点之间的连线在X方向投影的最大长度；输入传输线的输入端和输出传输线的输出端的端面的法线方向D和E分别定义为其端面几何中心处轴线方向并与信号流动方向一致。

当所述输入传输线或输出传输线通过其一个切面与电磁通道的两个端面中的一个连通时，传输线的法线方向与该电磁通道的接触面的法线方向之间的夹角在-180度和180度之间。当该切面的法线与该传输线的轴线重合时，该切面为该传输线的横截面。

为了便于保证所述传输线转接器的加工精度，所述两条微波通道设置在同一个金属体上。

所述电磁通道的长度很小：所述电磁通道的最大长度t小于该弯折传输线的中心工作频率对应的自由空间中的波长的0.2倍。

一种情况，所述输入传输线和输出传输线分别通过其一个切面与电磁通道的两个端面中的一个端面连通，使输入传输线和输出传输线的轴线之间的夹角在-180度到180度之间。最常见的角度为0度、90度和180度。有时也需要其它角度，比如30度、45度、60度、120度等。

通常情况下，所述输入传输线和输出传输线中至少一根为矩形波导。

有时，所述输入传输线和输出传输线中至少一根传输线包括一根只在一面与该传输线内壁连接的金属脊，为单脊矩形波导；

或者所述输入传输线和输出传输线中至少一根传输线包括两根相对的只在一面与该传输线内壁连接的金属脊，为双脊矩形波导；

或者所述输入传输线和输出传输线中至少一根传输线包括四根两两相对的只在一面与该传输线内壁连接的金属脊，为四脊矩形波导。

另外，输入传输线和输出传输线中至少一根也可以为椭圆波导或圆波导；或者所述输入传输线和输出传输线中至少一根传输线包括两根相对的只在一面与该传输线内壁连接的金属脊，为双脊圆波导或椭圆波导；或者所述输入传输线和输出传输线中至少一根传输线包括四根两两相对的只在一面与该传输线内壁连接的金属脊，为四脊圆波导或椭圆波导。在本发明中，圆波导也可以作为椭圆波导来对待，是一种特殊的椭圆波导。

所述输入传输线和输出传输线可以相同，也可以不相同。

所述输入传输线、电磁通道和输出传输线在-X方向上的所有面都齐平。

这样，我们实现了一种90度的弯折传输线。特别注意，这里的电磁通道作为匹配结构与输入传输线和输出传输线都不重叠。该结构的一个重要应用是作为多层波导集成网络的传输线的层间连接通道。当这种层间连接传输线的横截面尺寸很小或者其长度很大时，可以通过线切割加工完成层间连接传输线。而该弯折传输线中的电磁通道可以用普通数控铣床从-X方向的一边加工完成。

另一种较佳的设计,所述输入传输线和输出传输线中至少一根为矩形波导，或者单脊矩形波导，或者双脊矩形波导。输入传输线和输出传输线的端面的法线之间的角度为180度。输入传输线的一个侧面与所述电磁通道的一个端面连通。输出传输线的一个侧面与所述电磁通道的另一个端面连通。

所述输入传输线、电磁通道和输出传输线在-X方向上的所有面都齐平。这样，我们实现了一种180度的弯折传输线，或者反向传输线。

特别注意，这里的电磁通道作为匹配结构与输入传输线和输出传输线都不重叠。该结构的一个重要应用是在真空电磁波器件中。采用多个所述180度弯折传输线，依次连通，可以构成一条电磁波慢波结构。传输线沿Z方向可以压扁到该结构的中心工作频率对应的空间波长的1/6～1/20。电子束沿Z方向传输，而电磁波信号则沿传输线和耦合结构构成的慢波结构传输，其沿Z方向的相速比其在传输线中的相速降低数倍。当所述传输线的横截面尺寸很小或者其长度比较大时，可以通过线切割加工完成。而所述电磁通道可以用普通数控铣床从一边加工完成。

另一种情况，所述输入传输线和输出传输线中至少一根为矩形波导，或者单脊矩形波导，或者双脊矩形波导，输入传输线和输出传输线的端面的法线之间的角度为0度。输入传输线的一个侧面与所述电磁通道的一个端面连通。输出传输线的一个侧面与所述电磁通道的另一个端面连通。这样，我们实现了横向错位的匹配传输线。

更普遍的情况，所述输入传输线和输出传输线分别通过其一个侧面与电磁通道的一个端面连通；输入传输线和输出传输线的一个端面的法线之间的角度在0度到180度之间。这样我们实现了任意角度，并且横截面错位的匹配传输线。

为了获得更好的匹配效果或更宽的带宽，所述至电磁通道至少包括一条支路，该支路由3个沿Y方向连通的通孔构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次减小，然后增大。进一步地，所述至电磁通道至少包括一条支路，该支路由5个沿Y方向连通的通孔构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次增大、减小、增大、减小。

继续增加构成该电磁通道的支路的通孔的数目，该弯折传输线的匹配效果和带宽可以获得进一步改进：所述至电磁通道至少包括一条支路，该支路由7个沿Y方向连通的通孔构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次增大、减小、减小、增大、增大、减小。

所述通孔数目可以增加到9：电磁通道至少包括一条支路，该支路由9个沿Y方向连通的通孔构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次增大、增大、减小、减小、增大、增大、减小、减小。

不断增加构成该电磁通道的支路的通孔的数目，该弯折传输线的匹配效果和带宽可以获得不断改进。但是，该数目太大时，该弯折传输线的建模和优化计算效率将下降。

如果输入传输线和输出传输线都通过其侧面与电磁通道连通而且输入传输线和输出传输线的端面的法线之间的角度不同，所述至少一条支路需要沿Z轴旋转一定角度。

所述电磁通道可以包括两条支路，其横截面形状为“X”形

所述电磁通道可以为左右镜像对称。这时，所述弯折传输线也可以是左右镜像对称的。

所述电磁通道可以为上下镜像对称。这时，所述弯折传输线也可以是上下镜像对称的。

所述电磁通道左右镜像对称，同时上下镜像对称。所述弯折传输线也可以是左右镜像对称，同时也是上下镜像对称的。

构成所述电磁通道的一条支路的通孔的较佳的选择，至少一个所述通孔的横截面形状为矩形。较佳的实现方式，所有所述通孔的横截面形状都为矩形。

同时，所述各矩形通孔在Y方向通过其相邻边连通。

这样构成的电磁通道，其设计过程在保持其灵活性的基础上，具有很高的建模和优化效率。

本发明采用多个矩形或其它形状的通孔连通构成的电磁通道来实现各种弯折传输线的匹配。与已有的类似方案相比,可以显著提高其建模优化计算效率。这种电磁波电路的体积更小而且工作带宽更宽。特别是，本发明可以在超宽带的频率范围内实现多层波导集成网路电路的宽带内连，还可以用于构成一根紧凑的慢波结构，用于回旋管、折叠波导行波管等真空电子器件。该结构可以用于匹配各种弯折传输线，包括同轴线、矩形波导、圆波导、加脊的矩形波导或圆波导、SIW(基片集成波导)、微带、带线等，匹配效果和带宽上的优势明显。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1a为本发明和实施实例1的示意图。

图1b为本发明和实施实例1的示意图。

图2a为本发明-实施实例2的示意图。

图2b为本发明-实施实例2的示意图。

图2c为本发明-实施实例2的示意图。

图2d为本发明-实施实例2的示意图。

图3a为本发明-实施实例3的示意图。

图3b为本发明-实施实例3的示意图。

图3c为本发明-实施实例3的示意图。

图3d为本发明-实施实例3的示意图。

图4为本发明-实施实例9的示意图。

图5为本发明-实施实例9的电磁通道的示意图。

图6为本发明的一条支路的电磁通道示意图。

图7为本发明的两条交叉支路构成的电磁通道示意图。

图8为本发明的两条互不连通的支路构成的电磁通道示意图。

图9为本发明的两条交叉支路构成的、中空的电磁通道示意图。

图10为本发明的三条相互交叉的支路构成的电磁通道示意图。

图11为本发明的由矩形通孔构成的左右和上下都对称的电磁通道示意图。

图12为本发明的由矩形通孔构成的上下对称的电磁通道示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

2-输入传输线，22-金属脊，3-电磁通道，31-通孔，8-输出传输线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施实例1

如图1a和图1b所示。

适用于多种传输线的弯折传输线，包括一根输入传输线2和一根输出传输线8，和一条电磁通道3。电磁通道3的两端面分别为一平面A和平面B的一部分。所述输入传输线2和输出传输线8分别通过其一个切面与电磁通道3的两个端面中的一个连通。所述电磁通道3由一条支路构成。

所述电磁通道的长度很小：所述电磁通道的最大长度t小于该弯折传输线的中心工作频率对应的自由空间中的波长的0.2倍。

所述输入传输线2和输出传输线8分别通过其一个切面与电磁通道3的两个端面中的一个成一定角度连通,使输入传输线2和输出传输线8的轴线之间的角度为92度。

所述输入传输线2和输出传输线8都为矩形波导。

所述电磁通道包括一条支路。该支路由7个沿Y方向连通的通孔31构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次增大、减小、减小、、增大、增大、减小。

所述通孔31的横截面形状都为矩形。

同时，所述各矩形通孔31在Y方向通过其相邻边连通。

所述电磁通道左右镜像对称，同时上下镜像对称。

实施实例2

如图2a～2d所示。

本实施实例与实施实例1相比，主要区别仅在于,所述输入传输线2为单脊矩形波导，输出传输线8为双脊矩形波导。所述输入传输线2通过其一个端面与电磁通道3连通；输出传输线8通过其一个侧面与电磁通道3连通。输入传输线2和输出传输线8的轴线之间成90度夹角。在-X方向，输入传输线2、输出传输线8和电磁通道3都齐平。本实施例实现了一种单脊矩形波导到双脊矩形波导的90度宽带连接。在集成波导网络中，根据本实施实例，不同层的单脊矩形波导电路可以由与之垂直的双脊矩形波导宽带连通。而且，这里的不同层的单脊矩形波导、层间的双脊矩形波导和匹配它们的电磁通道都可以通过数控铣床或线切割等方式在一个整体金属上加工完成。

实施实例3

如图3a～3d所示。

本实施实例与实施实例2相比，主要区别仅在于,所述输入传输线2和输出传输线8都为矩形波导。本实施例实现了一种矩形波导到矩形波导的90度宽带连接。在集成波导网络中，根据本实施实例，不同层的矩形波导电路可以由与之垂直的矩形波导宽带连通。而且，这里的不同层的矩形波导、层间的矩形波导和匹配它们的电磁通道都可以通过数控铣床或线切割等方式在一个整体金属上加工完成。

实施实例4

如图4和5所示。

本实施实例是与实施实例3的一个具体实现。该弯折传输线让宽15.8毫米，高2.5毫米的矩形波导在1.14毫米的长度内，在11.9～18GHz的范围内实现90度弯折。其反射系数低于-24.5dB，由此实现了一种全带宽低反射的层间矩形波导连通设计。

实施实例5

如图6-12所示。

本实施实例作为更优的设计，可以设计两条交叉支路构成的电磁通道，或者两条互不连通的支路构成的电磁通道，或者两条交叉支路构成的、中空的电磁通道，或者三条相互交叉的支路构成的电磁通道，或者矩形通孔构成的左右和上下都对称的电磁通道，或者由矩形通孔构成的上下对称的电磁通道。

为了描述本发明，还可以举出更多的实施实例。原则上，任意横截面形状、轴线方向成任意角度的传输线通过其一定角度的切面或其一个侧面或一个侧面的一部分与所述电磁通道连通都可以实现宽带低反射匹配，而且都属于本发明专利保护范围。为了实现上述各实施实例，各通孔的形状可能需要根据加工方式加以相应改变。比如，采用数控铣床加工时，其中的内部棱线需要被导角。倒角的曲率半径为数毫米到0.5毫米。如果采用线切割加工，这些棱线也需要被导圆，只是倒角曲率半径可以小到0.1毫米。原则上，凡是符合本文权利要求的各种实施都属于本发明专利披露的内容。

Claims (10)

1.适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，包括至少一根输入传输线(2)和一根输出传输线(8)，和至少一条电磁通道(3)；电磁通道(3)的两端面分别为一平面A和平面B的一部分；所述输入传输线(2)和输出传输线(8)分别通过其一个切面或侧面与电磁通道(3)的两个端面中的一个连通；所述电磁通道(3)由至少一条支路构成，至少一条电磁波支路由至少3个沿Y方向连通的通孔(31)构成；所述电磁通道的最大长度t为分别位于该电磁通道(3)的两个端面上的任意两点的连线在Z方向上的投影长度的最大值；该弯折传输线的中心工作频率定义为SQRT(f1*f2)；其中f1为该弯折传输线的最低工作频率，f2为该弯折传输线的最高工作频率，SQRT为平方根函数；X轴和Y轴位于该电磁通道(3)的一个端面的平面内，并且X轴、Y轴和Z轴符合右手定则；任意通孔(31)的最大宽度为该通孔(31)上的任意两点之间的连线在X方向投影的最大长度；输入传输线(2)的输入端和输出传输线(8)的输出端的端面的法线方向D和E分别定义为其端面几何中心处轴线方向并与信号流动方向一致；所述输入传输线(2)通过其一个切面与电磁通道(3)的两个端面中的一个连通；所述输出传输线(8)通过其一个侧面与电磁通道(3)的两个端面中的另一个端面连通；输入传输线(2)和输出传输线(8)的轴线之间的角度在-180度到180度之间；所述输入传输线(2)为不同的传输线，或为同轴线、或矩形同轴线、或矩形波导、或单脊矩形波导、或双脊矩形波导、或四脊矩形波导、或方波导、或十字波导、或椭圆波导、或单脊椭圆波导、或双脊椭圆波导、或四脊椭圆波导、或基片集成波导(SIW)，或微带线、或带线，或共面线、或鳍线、或脊隙波导(RidgeGap Waveguide)等；所述输出传输线(8)为不同的传输线，或为同轴线、或矩形同轴线、或矩形波导、或单脊矩形波导、或双脊矩形波导、或四脊矩形波导、或方波导、或十字波导、或椭圆波导、或单脊椭圆波导、或双脊椭圆波导、或四脊椭圆波导、或基片集成波导(SIW)，或微带线、或带线，或共面线、或鳍线、或脊隙波导(Ridge Gap Waveguide)等。

2.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，至少一条所述电磁通道的最大长度t小于该弯折传输线的中心工作频率对应的自由空间中的波长的0.2倍。

3.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，所述电磁通道至少包括一条支路，该支路由3个沿Y方向连通的通孔(31)构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次减小，然后增大。

4.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，所述至电磁通道至少包括一条支路，该支路由5个沿Y方向连通的通孔(31)构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次增大、减小、增大、减小。

5.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，所述至电磁通道至少包括一条支路，该支路由7个沿Y方向连通的通孔(31)构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次增大、减小、减小、增大、增大、减小。

6.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，所述至电磁通道至少包括一条支路，该支路由9个沿Y方向连通的通孔(31)构成；沿Y方向，各通孔的最大宽度依次增大、增大、减小、减小、增大、增大、减小、减小。

7.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，所述至少一条支路沿Z轴旋转一定角度。

8.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，所述电磁通道包括三条支路，其横截面形状为“X”形。

9.根据权利要求1所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，所述电磁通道左右镜像对称或/和上下镜像对称。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的适用于多种传输线的弯折传输线，其特征在于，至少一个所述通孔(31)的横截面形状为矩形，所述各矩形通孔(31)在Y方向通过其相邻边连通。