CN120601112B - 一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波导技术领域，具体公开了一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导，包括：外管；内管，间隔设于外管内，内管的内壁设置有多个环槽，多个环槽沿轴向间隔分布；以及变形体，设于外管和内管之间，多个变形体沿轴向间隔分布，变形体包括多个绕所述外管的轴向设置的记忆合金单体，记忆合金单体包括连接部和两个变形部，连接部固定于外管的内壁，两个变形部的第一端通过连接部相互连接，两个变形部的第二端抵接于内管的外壁；其中，当记忆合金单体受热时，两个变形部的第二端相互靠拢，使记忆合金单体沿径向的长度变长，导致内管产生径向位移。本发明的一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导，减少杂模的产生，实现毫米波的低损耗传输。

Description

一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导

技术领域

本发明涉及波导技术领域，特别是涉及一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导。

背景技术

毫米波传输技术广泛应用于核聚变等离子体加热、动态核极化核磁共振实验和地球物理勘探等领域。目前对于毫米波的传输主要采用过模波导，由于过模波导的内壁是光滑的，在传输多种模式的毫米波、波导转向以及安装误差等因素的影响下，很容易激励起各种杂模，且杂模的抑制较为困难，造成毫米波的传输损耗较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导，以减少杂模的产生，实现毫米波的低损耗传输。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导，包括：

外管；

内管，间隔设于所述外管内，所述内管的内壁设置有多个环槽，多个所述环槽沿轴向间隔分布；以及

变形体，设于所述外管和所述内管之间，多个所述变形体沿轴向间隔分布，所述变形体包括多个绕所述外管的轴向设置的记忆合金单体，所述记忆合金单体包括连接部和两个变形部，所述连接部固定于所述外管的内壁，两个所述变形部的第一端通过所述连接部相互连接，两个所述变形部的第二端抵接于所述内管的外壁；

其中，当所述记忆合金单体受热时，两个所述变形部的第二端相互靠拢，使所述记忆合金单体沿径向的长度变长，导致所述内管产生径向向内位移；当所述记忆合金单体的温度降低时，两个所述变形部的第二端相互分离，使所述记忆合金单体沿径向的长度变短，导致所述内管产生径向向外位移。

在一些实施例中，所述外管的管壁具有水冷流道，所述水冷流道具有进水口和出水口。

在一些实施例中，所述记忆合金单体采用镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金或铁基形状记忆合金。

在一些实施例中，所述记忆合金单体表面具有镀镍层。

在一些实施例中，所述连接部与所述变形部一体成型。

在一些实施例中，所述连接部沿径向弧形凸起设置。

在一些实施例中，所述变形部的第二端具有延伸部，两个所述变形部的延伸部相互远离，所述延伸部抵接于所述内管的外壁，所述延伸部靠近所述内管的表面呈弧形设置。

在一些实施例中，所述环槽沿轴向剖面呈矩形或正弦形。

在一些实施例中，所述内管设有多个，相邻两个所述内管之间具有间隙，所述间隙内填充有垫片。

在一些实施例中，所述外管采用铝合金制成，所述内管采用铝合金或无氧铜制成。

本发明提供一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导，与现有技术相比，其有益效果在于：

内管间隔设于所述外管内，所述内管的内壁设置有多个环槽，多个所述环槽沿轴向间隔分布，变形体设于所述外管和所述内管之间，多个所述变形体沿轴向间隔分布，所述变形体包括多个绕所述外管的轴向设置的记忆合金单体，所述记忆合金单体包括连接部和两个变形部，所述连接部固定于所述外管的内壁，两个所述变形部的第一端通过所述连接部相互连接，两个所述变形部的第二端抵接于所述内管的外壁，如此，当所述记忆合金单体受热时，两个所述变形部的第二端相互靠拢，使所述记忆合金单体沿径向的长度变长，导致所述内管产生径向向内位移；当所述记忆合金单体的温度降低时，两个所述变形部的第二端相互分离，使所述记忆合金单体沿径向的长度变短，导致所述内管产生径向向外位移，而内管的径向位移反过来影响波导内传输的毫米波的模式特性，通过上述位移主动抑制除HE₁₁以外的其他杂模，实现主动校正和自动模式优化，实现毫米波的低损耗传输。

附图说明

图1为本发明一些实施例提供的一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导的沿轴向的剖面结构示意图。

图2为本发明一些实施例提供的一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导的变形体侧视放大结构示意图。

图3为本发明一些实施例提供的一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导的记忆合金单体在环境温度下的侧视放大结构示意图。

图4为本发明一些实施例提供的一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导的记忆合金单体在受热后的侧视放大结构示意图。

图5为本发明一些实施例提供的一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导具有两个内管的沿轴向的剖面结构示意图。

图中：1、外管；2、内管；21、环槽；22、垫片；3、变形体；31、记忆合金单体；311、连接部；312、变形部；313、延伸部；x、轴向；z、径向。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要理解的是，在本申请的描述中，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，也即，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-图5所示，本发明一些实施例的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，包括：外管1、内管2和变形体3。本发明的过模皱纹波导可以用于核聚变等离子体加热等长距离毫米波传输，特别是油气钻探等领域所需的千米级以上的毫米波传输。

内管2间隔设于外管1内，内管2的内壁设置有多个环槽21，多个环槽21沿轴向x间隔分布。如此，通过设置环槽21来形成过模皱纹波导。

示例性，内管2的内径为a，选取a=31.75mm，此时波导传输带宽较大，可以传输105GHz-170GHz的毫米波，λ为毫米波的波长。

d为环槽21的深度，满足d=λ/4时，传输损耗较低，当中心频率选取140GHz时，取d=0.54mm。

h为相邻两个环槽21的周期长度，满足h＜0.5λ，来避免布拉格反射，选取h=0.65mm，则最大传输频率为200GHz。

w为相邻两个环槽21的间距，若w/h越小，则欧姆损耗越小，选取w=0.307*h=0.20mm，兼顾满足欧姆损耗较小以及机械强度较高。

e为内管2在环槽21处的厚度，选取e=1mm。通过电火花加工或精密铣削等工艺加工形成内管2的内壁，加工公差小于±0.02mm，加工完成后使用三坐标测量仪校验同轴度，同轴度≤0.04mm。

变形体3设于外管1和内管2之间，多个变形体3沿轴向x间隔分布，变形体3包括多个绕所述外管的轴向设置的记忆合金单体31，记忆合金单体31包括连接部311和两个变形部312，连接部311固定于外管1的内壁，两个变形部312的第一端通过连接部311相互连接，两个变形部312的第二端抵接于内管2的外壁。

示例性的，记忆合金单体31采用Ni_50.7Ti_49.3记忆合金材料制成，其中，恢复初始形状的温度范围设计为环境温度（-10℃至40℃）。为了实现自动模式优化，选用的记忆合金材料具有双程记忆效应，其训练工艺为：将Ni_50.7Ti_49.3记忆合金材料经过400℃固溶处理1h以上，再经过450℃时效处理20min。

本实施例中，当记忆合金单体31受热时，两个变形部312的第二端相互靠拢，使记忆合金单体31沿径向z的长度变长，导致内管2产生径向z向内位移，当记忆合金单体31的温度降低时，两个变形部312的第二端相互分离，使记忆合金单体31沿径向z的长度变短，导致内管产生径向z向外位移。

具体的，记忆合金单体31在环境温度下为初始状态，记忆合金单体31的两个变形部312处于张开状态，使得记忆合金单体31沿径向z的长度较短。当温度升高时，两个变形部312的第二端相互靠拢，使记忆合金单体31沿径向z的长度变长。温度降低为环境温度时，记忆合金单体31的温度降低，记忆合金单体31的两个变形部312相互分离以向外张开，使记忆合金单体31变得较短，回到初始状态。

需要说明的是，波导的模式指电磁波在波导中传播时形成的横向电场分布模式。而模式优化是通过调节波导的物理结构参数（如尺寸、材料、位置等），以优化信号传输效率、减少损耗或增强特定性能指标的过程。在本发明中，波导的模式优化是通过调整内管2的径向z位置实现。

当波导内高功率毫米波的模式纯度下降，进而产生杂模时，内管2和外管1的温度分布不均匀，温度更高区域的记忆合金单体31变长，推动内管2沿径向z移动，引导波导进行模式优化；当波导内高功率毫米波的模式纯度接近100%时，如图3所示，变形体3的周向受力均匀，此时内管2保持初始中心位置，不会对波导的模式产生影响。

在工作时，内管2存在表面阻抗，高功率毫米波会引起内管2的温度提高，杂模导致局部电流密度激增，进而增加内管2的热点温度（温度可提高30℃以上），温度升高引起记忆合金单体31形变，本实例中，内管2的最大径向z位移δr=0.16mm，记忆合金单体31的径向z长度f最小值=2.4mm、f最大值=2.56mm，通过记忆合金单体31的形变导致内管2沿径向z向内移动，内管2的径向z移动反过来影响波导内传输的毫米波的模式特性，通过径向z移动主动抑制杂模，实现模式的自动优化。优化过程如下：

内管2的径向z移动改变环槽21的等效阻抗，从而降低杂模传播常数。

产生形成负反馈：杂模较多导致热失衡，热失衡使得记忆合金单体31产生形变，记忆合金单体31形变使得内管2产生径向z移动，内管径向z移动使得杂模减少。

基于上述的结构设置，当记忆合金单体31受热时，两个变形部312的第二端相互靠拢，使记忆合金单体31沿径向z的长度变长，导致内管2产生径向z位移，而内管2的径向z位移反过来影响波导内传输的毫米波的模式特性，实现模式的主动校正和自动优化，实现毫米波的低损耗传输。

在一些实施例中，外管1的管壁具有水冷流道，水冷流道具有进水口和出水口。具体的，外管1的径向z厚度为5mm。流道类型为螺旋水冷流道，进水口和出水口均与水管使用卡箍固定，进水口和出水口的接口外径为11.7mm。冷却水流量≥6L/min，在确保水压小于0.4MPa的情况下，多段波导可以串联水冷管路。冷却水需要使用去离子水，电阻率大于1MΩ*cm，溶解氧小于500ppb。

在一些实施例中，记忆合金单体31采用镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金或铁基形状记忆合金。示例性的，采用镍钛基形状记忆合金具备超过10%的可恢复应变性能，同时具备高阻尼特性，形变过程平滑，且耐磨耐腐蚀，其电阻率为8×10^-7Ω·m，适合应用在高功率毫米波过模皱纹圆波导中。需要说明的是，具有形状记忆功能的材料除了形状记忆合金外，还有形状记忆聚合物以及形状记忆陶瓷，但是这两种材料不能对毫米波进行约束，受热后产生的形变对毫米波的影响很小，难以实现模式的自动优化。

在一些实施例中，记忆合金单体31表面具有镀镍层。镀镍层厚度优选为3μm，能够提升记忆合金单体31的耐磨性。

如图3和4所示，在一些实施例中，连接部311与变形部312一体成型。在成型时，需要在真空或氩气保护下进行热处理，否则表面氧化会改变镍钛比例，导致相变温度漂移。

如图3和4所示，在一些实施例中，连接部311沿径向z弧形凸起设置。如此，避免两个变形部312之间应力集中，延长使用寿命。

如图3和4所示，在一些实施例中，变形部312的第二端具有延伸部313，两个变形部312的延伸部313相互远离，延伸部313抵接于内管2的外壁，延伸部313靠近内管2的表面呈弧形设置。如此，在变形过程中延伸部313在内管2的外壁移动的摩擦阻力较小，有利于使内管2产生径向z移动。

在一些实施例中，环槽21沿轴向x剖面呈矩形或正弦形。

如图5所示，在一些实施例中，内管2设有多个，相邻两个内管2之间具有间隙，间隙内填充有垫片22。具体的，当外管1的轴向x长度大于0.5m时，需要等间距对内管2进行分割，轴向x分割间距越小，波导的优化效果越好。相邻两个内管的间隙小于1mm，填充聚四氟乙烯垫片，以此减小毫米波泄漏。

在一些实施例中，外管1采用铝合金制成，内管2采用铝合金或无氧铜制成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，包括：

外管；

内管，间隔设于所述外管内，所述内管的内壁设置有多个环槽，多个所述环槽沿轴向间隔分布；以及

变形体，设于所述外管和所述内管之间，多个所述变形体沿轴向间隔分布，所述变形体包括多个绕所述外管的轴向设置的记忆合金单体，所述记忆合金单体包括连接部和两个变形部，所述连接部固定于所述外管的内壁，两个所述变形部的第一端通过所述连接部相互连接，两个所述变形部的第二端抵接于所述内管的外壁；

其中，当所述记忆合金单体受热时，两个所述变形部的第二端相互靠拢，使所述记忆合金单体沿径向的长度变长，导致所述内管产生径向向内位移；当所述记忆合金单体的温度降低时，两个所述变形部的第二端相互分离，使所述记忆合金单体沿径向的长度变短，导致所述内管产生径向向外位移。

2.根据权利要求1所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述外管的管壁具有水冷流道，所述水冷流道具有进水口和出水口。

3.根据权利要求1所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述记忆合金单体采用镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金或铁基形状记忆合金。

4.根据权利要求1所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述记忆合金单体表面具有镀镍层。

5.根据权利要求1所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述连接部与所述变形部一体成型。

6.根据权利要求5所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述连接部沿径向弧形凸起设置。

7.根据权利要求1所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述变形部的第二端具有延伸部，两个所述变形部的延伸部相互远离，所述延伸部抵接于所述内管的外壁，所述延伸部靠近所述内管的表面呈弧形设置。

8.根据权利要求1所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述环槽沿轴向剖面呈矩形或正弦形。

9.根据权利要求1所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述内管设有多个，相邻两个所述内管之间具有间隙，所述间隙内填充有垫片。

10.根据权利要求1-9任一项所述的可自动进行模式优化的过模皱纹波导，其特征在于，所述外管采用铝合金制成，所述内管采用铝合金或无氧铜制成。