一种紧凑型无法兰波导连接结构及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种紧凑型无法兰波导连接结构，阳连接部包括第一标准波导、第一阻抗变换段、第一非标波导段和周期性金属凸体阵列，其中第一阻抗变换段位于第一标准波导与第一非标波导段之间，周期性金属凸体阵列设置于第一非标波导段的外壁四周，若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列；阴连接部包括第二标准波导、第二阻抗变换段和扩大腔体结构，第二阻抗变换段位于第二标准波导与扩大腔体结构之间，扩大腔体结构设置于第二阻抗变换段的末端；阳连接部的带有周期性金属凸体阵列的一端插入阴连接部的扩大腔体结构中，形成紧凑型无法兰波导连接结构整体。本发明专利技术体积大幅缩小，更加有利于小型化设计和灵活布局，且插拔式设计可以实现更加方便灵活的装配。

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型无法兰波导连接结构及设计方法
本专利技术涉及一种紧凑型无法兰波导连接结构及设计方法，能够用于各种微波部件及系统连接结构中，属于微波

技术介绍
波导是传输微波信号的重要传输线，其中最常用的为矩形波导，包括矩形金属管和法兰，法兰位于金属管的两端，用于波导管之间的连接固定，金属管与法兰面垂直、居中，不同频段的波导管矩形截面和法兰面大小不同。波导传输线由于具有低插损、高功率容量等优势，在卫星有效载荷系统中广泛应用。由于卫星载荷平台空间及运载工具运载能力的限制，体积和重量成为载荷设计的重要考虑因素。卫星载荷的微波系统中需要采用大量的连接结构，传统的波导法兰连接带来了体积和重量的额外大幅增加，不利于载荷的小型紧凑轻量化设计。针对此问题，当前在卫星工程应用中已经逐渐开始采用无法兰波导连接，以期减小法兰所带来的体积和重量增加。目前工程应用中已采用的无法兰波导连接大多采用焊接方式实现，主要包括套箍式焊接和直接对接焊接式两种，均是采用焊接工艺实现波导的无法兰连接，其性能的好坏取决于焊接工艺的合格与否。如果焊接工艺的一致性难以保证，则焊接后的无法兰波导连接其电磁传输性能难以预估和保证。另一方面，焊接为不可逆过程，一旦焊接完成，波导结构和位置则无法改变，不利于系统中各部件及组件的灵活拆卸组装，不利于系统的整体设计和灵活布局，且直接对接焊接结构的机械稳定性不高。如果采用波导直接插拔式设计，则由于机加工误差及粗糙度的存在，实际中不可能形成理想电接触，插拔接触表面间会存在空气间隙，造成电磁泄露，影响电磁传输性能。>
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种紧凑型无法兰波导连接结构及设计方法，通过阻抗变换设计，将普通波导变换至减尺寸非标波导，在非标波导部分通过增加周期性金属凸体阵列结构，配合相应的扩大腔体结构，构成波导间的快速插拔连接，通过对周期性金属凸体阵列进行特定设计，实现宽带范围内的电磁场屏蔽功能，阻止插拔连接部位的电磁泄漏，代替传统的波导法兰连接，有效降低传统法兰连接的体积和重量。本专利技术的技术解决方案是：一种紧凑型无法兰波导连接结构，实现矩形波导之间的无法兰连接，包括阳连接部和阴连接部，阳连接部包括第一标准波导、第一阻抗变换段、第一非标波导段和周期性金属凸体阵列，其中第一阻抗变换段位于第一标准波导与第一非标波导段之间，周期性金属凸体阵列设置于第一非标波导段的末端外壁四周，若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列；阴连接部包括第二标准波导、第二阻抗变换段和扩大腔体结构，其中第二阻抗变换段位于第二标准波导与扩大腔体结构之间，扩大腔体结构设置于第二阻抗变换段的末端；阳连接部的带有周期性金属凸体阵列的一端插入阴连接部的扩大腔体结构中，形成紧凑型无法兰波导连接结构整体；在金属凸体与扩大腔体结构内表面间满足一定空气间隙范围内，周期性金属凸体阵列与扩大腔体结构内表面共同组成电磁带隙结构，电磁带隙结构的电磁禁带完全覆盖所需的波导工作带宽。周期性周期性金属凸体阵列中的金属凸体形状为立方体、圆柱体或正方体。第一非标波导段末端外壁的同一平面内，金属凸体高度及结构形式保持一致。扩大腔体结构的内腔宽高尺寸值大于周期性金属凸体阵列的外轮廓宽高尺寸值2～100μm，使阳连接部插入阴连接部时形成紧连接。扩大腔体结构的内腔深度不小于周期性金属凸体阵列沿波导方向的纵向长度。还包括机械连接结构，用于固定连接阳连接部和阴连接部。周期性金属凸体阵列的设置方法为：(1)根据所需工作频段设计第一阻抗变换段、第一非标波导段和第二阻抗变换段结构尺寸，保证整体连接后的电磁场传输带宽覆盖所需的工作频段；(2)建立周期性金属凸体阵列中单个金属凸体的仿真模型，设置仿真模型尺寸参数初值，设置周期性边界条件及设置本征求解模式；(3)进行机械加工容差性能分析：根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式获得周期性金属凸体阵列的电磁禁带特性，调整仿真模型尺寸参数初值，使在所设定的实际空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖所需的波导工作带宽，获得仿真模型尺寸参数值；(4)根据获得的仿真模型尺寸参数值，建立紧凑型无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构内表面间的空气间隙设定为典型值；(5)进行装配容差性能分析：根据实际装配误差，设定阳连接部中第一非标波导段与阴连接部中第二阻抗变换段的输出端口间距，仿真获得紧凑型无法兰波导连接的插入损耗及驻波性能，根据所需的插入损耗及驻波性能要求，获得装配容差范围；(6)设定第一非标波导段输出端口与第二阻抗变换段输出端口间距为装配容差的最大值，根据波导的实际工作要求，设置波导传输功率，仿真获得电磁场分布特性，根据传输功率大小选择周期性金属凸体阵列中金属凸体的数量，以保证合适的电磁场屏蔽特性；(7)仿真获得插损及驻波结果，微调仿真模型尺寸参数值，使得在所需的波导工作带宽内，驻波和插入损耗性能均满足要求。单个金属凸体的仿真模型包括单个金属凸体本身结构尺寸、构成周期性阵列的排列规则信息以及金属凸体与扩大腔体结构内表面间空气间隙。一种紧凑型无法兰波导连接结构设计方法，法兰波导连接结构包括阳连接部和阴连接部，具体步骤如下：(1)根据所需工作频段设计阳连接部的第一阻抗变换段、第一非标波导段和阴连接部的第二阻抗变换段结构尺寸，保证整体连接后的电磁场传输带宽覆盖所需的工作频段；在第二阻抗变换段的末端设置扩大腔体结构，在第一非标波导段的末端外壁四周表面设置周期性金属凸体阵列，设置方法为：(a)建立周期性金属凸体阵列中单个金属凸体的仿真模型，设置仿真模型尺寸参数初值，设置周期性边界条件及设置本征求解模式；(b)进行机械加工容差性能分析：根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式获得周期性金属凸体阵列的电磁禁带特性，调整仿真模型尺寸参数初值，使在所设定的实际空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖所需的波导工作带宽，获得仿真模型尺寸参数值；(c)根据获得的仿真模型尺寸参数值，建立紧凑型无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构内表面间的空气间隙设定为典型值；(d)进行装配容差性能分析：根据实际装配误差，设定阳连接部中第一非标波导段与阴连接部中第二阻抗变换段的输出端口间距，仿真获得紧凑型无法兰波导连接的插入损耗及驻波性能，根据所需的插入损耗及驻波性能要求，获得装配容差范围；(e)设定第一非标波导段输出端口与第二阻抗变换段输出端口间距为装配容差的最大值，根据波导的实际工作要求，设置波导传输功率，仿真获得电磁场分布特性，根据传输功率大小选择周期性金属凸体阵列中金属凸体的数量，以保证合适的电磁场屏蔽特性；(f)仿真获得插损及驻波结果，微调仿真模型尺寸参数值，使得在所需的波导工作带宽内，驻波和插入损耗性能均满足要求；(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紧凑型无法兰波导连接结构，实现矩形波导之间的无法兰连接，其特征在于，包括阳连接部(1)和阴连接部(2)，/n阳连接部(1)包括第一标准波导(11)、第一阻抗变换段(12)、第一非标波导段(13)和周期性金属凸体阵列(14)，其中第一阻抗变换段(12)位于第一标准波导(11)与第一非标波导段(13)之间，周期性金属凸体阵列(14)设置于第一非标波导段(13)的末端外壁四周，若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列；/n阴连接部(2)包括第二标准波导(21)、第二阻抗变换段(22)和扩大腔体结构(23)，其中第二阻抗变换段(22)位于第二标准波导(21)与扩大腔体结构(23)之间，扩大腔体结构(23)设置于第二阻抗变换段(22)的末端；/n阳连接部(1)的带有周期性金属凸体阵列(14)的一端插入阴连接部(2)的扩大腔体结构(23)中，形成紧凑型无法兰波导连接结构整体；在金属凸体与扩大腔体结构(23)内表面间满足一定空气间隙范围内，周期性金属凸体阵列(14)与扩大腔体结构(23)内表面共同组成电磁带隙结构，电磁带隙结构的电磁禁带完全覆盖所需的波导工作带宽。/n

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型无法兰波导连接结构，实现矩形波导之间的无法兰连接，其特征在于，包括阳连接部(1)和阴连接部(2)，
阳连接部(1)包括第一标准波导(11)、第一阻抗变换段(12)、第一非标波导段(13)和周期性金属凸体阵列(14)，其中第一阻抗变换段(12)位于第一标准波导(11)与第一非标波导段(13)之间，周期性金属凸体阵列(14)设置于第一非标波导段(13)的末端外壁四周，若干金属凸体以周期性布局规则分别均匀排列；
阴连接部(2)包括第二标准波导(21)、第二阻抗变换段(22)和扩大腔体结构(23)，其中第二阻抗变换段(22)位于第二标准波导(21)与扩大腔体结构(23)之间，扩大腔体结构(23)设置于第二阻抗变换段(22)的末端；
阳连接部(1)的带有周期性金属凸体阵列(14)的一端插入阴连接部(2)的扩大腔体结构(23)中，形成紧凑型无法兰波导连接结构整体；在金属凸体与扩大腔体结构(23)内表面间满足一定空气间隙范围内，周期性金属凸体阵列(14)与扩大腔体结构(23)内表面共同组成电磁带隙结构，电磁带隙结构的电磁禁带完全覆盖所需的波导工作带宽。


2.根据权利要求1所述的一种紧凑型无法兰波导连接结构，其特征在于：周期性周期性金属凸体阵列(14)中的金属凸体形状为立方体、圆柱体或正方体。


3.根据权利要求1所述的一种紧凑型无法兰波导连接结构，其特征在于：第一非标波导段(13)末端外壁的同一平面内，金属凸体高度及结构形式保持一致。


4.根据权利要求1所述的一种紧凑型无法兰波导连接结构，其特征在于：扩大腔体结构(23)的内腔宽高尺寸值大于周期性金属凸体阵列(14)的外轮廓宽高尺寸值2～100μm，使阳连接部(1)插入阴连接部(2)时形成紧连接。


5.根据权利要求1所述的一种紧凑型无法兰波导连接结构，其特征在于：扩大腔体结构(23)的内腔深度不小于周期性金属凸体阵列(14)沿波导方向的纵向长度。


6.根据权利要求1所述的一种紧凑型无法兰波导连接结构，其特征在于：还包括机械连接结构，用于固定连接阳连接部(1)和阴连接部(2)。


7.根据权利要求1所述的一种紧凑型无法兰波导连接结构，其特征在于：周期性金属凸体阵列(14)的设置方法为：
(1)根据所需工作频段设计第一阻抗变换段、第一非标波导段和第二阻抗变换段结构尺寸，保证整体连接后的电磁场传输带宽覆盖所需的工作频段；
(2)建立周期性金属凸体阵列中单个金属凸体的仿真模型，设置仿真模型尺寸参数初值，设置周期性边界条件及设置本征求解模式；
(3)进行机械加工容差性能分析：根据实际机械加工公差及误差范围，设定金属凸体与扩大腔体结构内表面间的实际空气间隙范围，通过本征值求解模式获得周期性金属凸体阵列的电磁禁带特性，调整仿真模型尺寸参数初值，使在所设定的实际空气间隙范围内，电磁禁带均覆盖所需的波导工作带宽，获得仿真模型尺寸参数值；
(4)根据获得的仿真模型尺寸参数值，建立紧凑型无法兰波导连接的整体仿真模型，金属凸体与扩大腔体结构内表面间的空气间隙设定为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈翔，孙冬全，李小军，崔万照，殷康，贺永宁，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61