[发明专利]一种均匀金属腔体内置式波导模式‑传输线模式转换器

说明书

技术领域

本发明属于无线通信、军事无线电及电子设备与器件设计领域，可用于高频电路系统、有源/无源能量采集系统等设计，具体涉及一种金属腔体内置式波导模式-传输线模式转换器。

背景技术

随着无线通信、军事无线电及高频电子设备与器件设计的日新月异，电磁频谱资源日渐拥挤，电磁环境日益复杂，因此通信及电子电路设计的频率范围愈来愈向微波、毫米波、亚毫米波、太赫兹等发展，由此带来信号传输形式、系统及电路构成等的巨大变化。在以往的低频范围，集总参数电路、基于平面介质基板的集成电路比较受欢迎，而在高频范围，由于介质损耗、导体损耗等对电路及系统所带来的重大影响，特别是在一些领域需要对空间电磁波进行接收和处理的情况，再加上现代加工工艺如3D打印技术的兴起，平面型电路正越来越多地被腔体型电路及器件取代，例如空间电磁波往往采用金属腔体进行接收等。然而，平面型电路及器件在信号的处理、与现有电路及系统的集成等方面仍然具有一定的优势，例如对电磁波信号的特性进行分析与后期处理，对电磁能量进行采集和转化，系统后续处理电路为平面形式等情况，此外，平面电路设计中往往可以采用各种技术措施来实现小型化、宽频化、多极化等高性能指标，因此迫切需要解决金属腔体内的波导模式与平面电路中的传输线模式的模式转换问题。

目前对于波导模式—传输线模式转换器的研究，主要着眼点是模式的转换，因此一般的器件结构形式主要是模式变换+强制性边界条件，或是利用金属腔体的自然高通特性，这也导致了现有波导模式—传输线模式转换器在电路形式上的两大特点，一是存在谐振式结构，二是腔体结构尺寸的改变，而这两个特点会在电路及系统的宽频应用、系统集成性设计等场合带来局限性，如何在均匀金属腔体内实现高性能的模式转换、并提高其与前端及后续电路集成的方便性和灵活性，是一个亟待解决的问题。

总之，研制结构简单、损耗低、模式转换性能好的波导模式-传输线模式转换器的，具有非常重要的实用意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种均匀金属腔体内置式波导模式-传输线模式转换器。利用平面天线的辐射/接收互易特性，根据实际需求设计平面天线并置于金属腔体内，接收腔体内电磁波(波导模式)并将其转换为输出传输线上的传输线模式；腔体内未完全耦合至平面天线的波导模式场，由腔体内置式滤波器或模式抑制器进行处理(反射，并再次耦合至天线)，从而实现均匀腔体完全内置式的模式转换。该转换器内部构件(平面天线、滤波器)可根据需求(工作频带等)灵活变换，满足高频电路系统及有源/无源能量采集系统等不同应用场合的工作需求。

本发明可通过如下技术方案实现：

一种均匀金属腔体内置式波导模式-传输线模式转换器，包含：一个均匀金属腔体1；一个平面天线2，内置于金属腔体1中；一个模式抑制器或滤波器3。

作为本发明的进一步优化方案，所述金属腔体1沿其长度方向的外形及内部腔体尺寸均没有变化(除输入输出波导端或可能需要的同轴-波导转换器外)，长度和宽度应为能恰当放置平面天线2及波导滤波器或抑制器3、并且保证正常工作的最小尺寸。

作为本发明的进一步优化方案，所述金属腔体1的横截面长边和宽边尺寸根据实际需求确定，金属腔体1的横截面形状可以为矩形、圆形、椭圆形或其它形状，腔体内部为空气或介质填充，所述金属腔体1的其一端用作波导模式电磁波的激励。

作为本发明的进一步优化方案，所述的用于接收波导模式电磁波的平面天线2可根据具体需求(工作频带、辐射方向图等)设计，用于接收金属腔体1内波导模式电磁波，并将其转换为传输线模式电磁波。

作为本发明的进一步优化方案，所述的用于接收波导模式电磁波的平面天线2，可以为实施例的微带馈电型贴片天线，介质基板2-1的一面为全金属地2-2并与金属腔体1内壁紧密贴合，另一面按工作频带、辐射方向图等需求设计贴片形状2-3及微带线2-4；也可以为贴片天线的各种改进形式或偶极子天线、领结天线等其他结构的平面天线。

作为本发明的进一步优化方案，所述的用于接收波导模式电磁波的平面天线2，其放置位置决定于所使用的天线辐射方向图，可紧靠金属腔体1内壁，也可悬置于金属腔体1中部。

作为本发明的进一步优化方案，所述的滤波器或模式抑制器3用于处理未完全被接收的波导模式电磁波，从而实现均匀腔体完全内置式的模式转换器，其具体结构形式应根据具体需求(工作频带、与平面电路的结合性、加工工艺等)选择，可为具有一定厚度的金属膜片纵向加载或横向加载结构，可为双面覆铜的介质基板刻蚀的金属膜片结构，亦可为感性金属柱构成的等效金属膜片结构等。