CN100459280C - 插板式同轴微波模式变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插板式同轴微波模式变换器，它的同轴波导的内、外导体之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板，且四块金属板都分别与同轴波导的内、外导体电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；第一金属板最短、第二、四金属板的长度最长且相等，第三金属板的长度短于第二、四金属板；第三金属板的长度与第一金属板长度的差值满足：由第二、四金属板构成的180°扇形截面波导中的微波电场模式与第二、三金属板或第三、四金属板构成的90°扇形截面波导中的微波电场模式的相位相差180°。该种转换器用于实现同轴TEM模—圆波导TM₀₁模的模式转换，其结构简单、容易实现，功率容量高、输入输出共轴。

Description

插板式同轴微波模式变换器

技术领域

本发明涉及一种高功率微波模式变换器，尤其涉及一种同轴波导的TEM模式到圆波导的TE₁₁模式的变换器。

背景技术

多数高功率微波源具有旋转对称结构，它们产生的模式多是旋转轴对称模。如渡越管、磁绝缘线振荡器、相对论速调管等采用同轴结构输出微波的器件输出同轴TEM模，而轴向提取的虚阴极振荡器、相对论返波管、锥形慢波结构发生器则产生圆波导TM₀₁模。无论是同轴TEM模还是圆波导TM₀₁模，由于其输出端口的口径场分布具有旋转对称性，将导致轴向为零的环状远场方向图，不利于高功率微波的定向传输与发射。

为了实现定向辐射，通常要将圆波导TM₀₁模和同轴TEM模变换为圆波导TE₁₁模，再通过天线辐射出去，其中同轴TEM模要先变换为圆波导TM₀₁模式，再实现从TM₀₁到TE₁₁的变换。当前，被广泛采用的高功率微波模式变换器有两种：一是将开口圆波导斜切的Vlasov模式变换器(Wada O，Nakajima M.Quasiopticalreflector antennas for high power millimeter waves[A].Proc.of Ec-6JointWorkshop on ECE and ECRH[C]，Oxford Sept.1987：369-376)；这种模式变换器将圆波导TM₀₁模式变为具有一定方向性的准高斯模，具有结构简单的优点，但其辐射方向偏离波导轴线，即输入输出不共轴。另一种是双弯型圆波导模式变换器(Yang S W，Li H F.Numerical modeling of 8mm TM₀₁-TE₁₁mode converter[J].Int.J.Infrared and Millimeter Waves，1996，17(11)：1935-1943)，即一个弯曲波导与另一个同直径、曲率方向相反的圆波导相切连接；这种双弯型波导模式变换器可以高效地实现圆波导TM₀₁-TE₁₁模式变换，但加工困难，同时也存在输入输出不共轴的问题。Eisenhart R L曾提出一种可以实现同轴TEM-圆波导TE₁₁的模式变换器(A novel wideband TM₀₁-TE₁₁ mode converter[J].IEEETrans on Microwave Theory and Techniques，1988，1(11)：249-252)，该模式转换器先将圆同轴波导转换成矩形同轴波导，然后将矩形同轴波导的内导体与矩形外导体相短接，进而转换成矩形波导，最后将矩形波导转换成圆波导。因此，它存在结构复杂、加工困难、局部电场集中、功率容量低等问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种同轴插板式微波模式变换器，该种转换器用于实现同轴TEM模—圆波导TE₁₁模的模式转换，其结构简单、容易实现，功率容量高、输入输出共轴。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种插板式同轴微波模式变换器，包括前部由内导体和外导体构成的同轴波导和后部由单纯外导体构成的圆波导，其结构特点为：

a、同轴波导的内外导体之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板，且四块金属板都分别与同轴波导的内、外导体电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；

b、第一金属板最短、第二、四金属板的长度最长且相等，第三金属板的长度短于第二、四金属板；

c、第三金属板的长度与第一金属板长度的差值满足：由第二、四金属板构成的180°扇形截面波导中的微波电场模式与第二、三金属板或第三、四金属板构成的90°扇形截面波导中的微波电场模式的相位相差180°；

d、同轴波导的内导体的末端呈一定坡度的锥形。

因此，本发明插板式同轴微波模式变换器，从前到后被四块金属板依次分割为六段：A段，由内导体和外导体形成的同轴波导段；B段，由第一、二、三、四块金属板将同轴波导分割成的四个90°扇形截面波导，其长度为第一金属板的长度；C段，由第二、四金属板形成的180°的扇形截面波导，和第二、三金属板，第三、四金属板分割成的两个90°扇形截面波导，它们的长度为第三金属板长度与第一金属板长度的差值；D段，由第二、四金属板形成的两个180°的扇形截面波导，其长度为第二、四金属板与第三金属板长度之差值；E段，由外导体和呈一定坡度的锥形内导体形成的同轴波导段；F段，仅由外导体形成的圆波导段。

本发明实现微波模式变换的过程如下：

A段为微波源输入的同轴TEM模，该TEM模在B段转换为四个90°扇形截面波导中的TE₁₁模，C段前端180°扇形截面波导和两个90°扇形截面波导中的TE₁₁模微波电场的极化方向相反，而在C段末端两种波导中的TEM模微波电场较之前端产生180°相位差，而使两种波导中的电场极化方向由相反变为相同；D段的两个180°扇形截面波导中传输的也是电场极化方向一致的TE₁₁模，E段中的微波模式变换为同轴波导中的TE₁₁模，F段的微波模式则变换为圆波导TE₁₁模。从而完全了将同轴波导TEM模式到圆波导的TE₁₁模式的变换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：巧妙利用插入的四块特定长度与角度的金属板，实现同轴TEM模到同轴TE₁₁模式的转换，再由同轴波导末端的锥体实现同轴TE₁₁到圆波导TE₁₁模式的变换。其结构简单、微波的输入输出同轴；并且用属于感性部件的金属板实现变换，不会引起电场在波导内的集中，可以承受高功率，其功率容量高。

上述同轴波导的内导体的前端呈一定坡度的锥形。该结构为圆波导TM₀₁-同轴TEM过渡段，从而可使本发明可实现圆波导TM₀₁模—同轴TEM模的变换，使本发明的用途更广泛。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明实施例一的后端面视图。

图2是本发明实施例一图1的NN′剖视图。

图3是图1的MM′剖视图。(本图实际应是波导后端朝下的垂直方向，但为便于与图2对比观察，将其反时针旋转90°。)

图4中的A、B、C₀、C₁、D、E、F分图分别是本发明实施例一的A段、B段、C段始端、C段末端、D段、E段、F段各段的剖面图及其剖面上的电场极化方向示意图。

图5是本发明实施例一转换效率与频率关系曲线。

图6是本发明实施例一反射损耗与频率关系曲线。

图7是本发明实施例二的前端局部轴向剖视图。

具体实施方式

图1-3示出，本发明的一种具体实施方式为：一种插板式同轴微波模式变换器，包括前部由内导体6和外导体7构成的同轴波导和后部由单纯外导体7构成的圆波导，同轴波导的内外导体之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板1、2、3、4，且四块金属板1、2、3、4都分别与同轴波导的内、外导体6、7电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；

第一金属板1最短、第二、四金属板2、4的长度最长且相等，第三金属板3的长度短于第二、四金属板2、4；

第三金属板3的长度与第一金属板1的长度的差值满足：由第二、四金属板2、4构成的180°扇形截面波导中的微波电场模式与第二、三金属板2、3或第三、四金属板3、4构成的90°扇形截面波导中的微波电场模式的相位相差180°。其具体长度可依据后文关系式计算得出。

同轴波导的内导体6的末端呈一定坡度的锥形。

图1-4示出，本发明插板式同轴微波模式变换器，从前到后被四块金属板依次分割为六段：A段，由内导体和外导体形成的同轴波导段；B段，由第一、二、三、四块金属板、1、2、3、4分割成的四个90°扇形截面波导，其长度为第一金属板1的长度；C段，由第二、四金属板2、4形成的180°的扇形截面波导，和第二、三金属板2、3，第三、四金属板3、4分割成的两个90°扇形截面波导，它们的长度为第三金属板3长度与第一金属板1长度的差值；D段，由第二、四金属板2、4形成的两个180°的扇形截面波导，其长度为第二、四金属板2、4与第三金属板3长度之差值；E段，由外导体7和呈一定坡度的锥形内导体6形成的同轴波导段；F段，仅由外导体形成的圆波导段。

由于在C段，波导的一半为一个180°扇形截面波导，另一半为两个90°扇形截面波导。因两部分波导形状不同，在里面传输的TE₁₁模的传播常数β也不同，从而在C段的末端导致了两部分电场的相位不同。当第三金属板3和第一金属板1的长度L₃、L₁满足关系式(β₁-β₃)(L₃-L₁)＝π时，在C段的末端，两部分扇形截面波导中的TE₁₁模有180°的相位差，见图4中的C₀和C₁的电场示意图。式中β₁、β₃分别表示180°和90°扇形截面波导中TE₁₁模的传播常数。

图4中的各分图示出，本实施例实现微波模式变换的过程如下：

A段为微波源输入的同轴TEM模，该TEM模在B段转换为四个90°扇形截面波导中的TE₁₁模，C段前端180°扇形截面波导和两个90°扇形截面波导中的TE₁₁模微波电场的极化方向相反，而在C段末端两种波导中的TEM模微波电场较之前端产生180°相位差，而使两种波导中的电场极化方向由相反变为相同；D段的两个180°扇形截面波导中传输的也是电场极化方向一致的TE₁₁模，E段中的微波模式变换为同轴波导中的TE₁₁模，F段的微波模式则变换为圆波导TE₁₁模。从而完全了将同轴波导TEM模式到圆波导的TE₁₁模式的变换。

下面给出本实施例用于3.8GHz的微波模式变换的具体设计尺寸：

输入微波源为3.8GHz的微波，同轴波导的尺寸为，内导体半径a为2cm，外导体半径也即波导半径b为4.5cm，所设计的模式变换器前部A段同轴波导的尺寸与微波源的同轴波导尺寸一致，即内导体半径2cm，外导体内半径4.5cm，在B段之后插入的四块金属板厚度不限，为减少反射可以稍微薄一点，如取0.3cm。第三金属板3和第一金属板1长度L₃、L₁的差值L₃-L₁＝π/β₁-β₃，其中β₁为C段的180°扇形截面波导中TE₁₁模的传播常数，β₃为C段中90°扇形截面波导中TE₁₁模的传播常数，它们均可通过计算获得，本应用例中经计算L₃-L₁＝12.3cm，若取L₁＝0.3cm，则L₃＝12.6cm，第二、四金属板2、4长度相同，且略大于第三金属板3长度L₃，这里取L₂＝L₄＝14.5cm。在模式变换器的E段，内导体6为呈一定坡度的锥体，在满足使锥体处产生的反射波和同轴波导插入金属板所产生的反射波相互抵消的条件下，具体参数可以通过实验或计算机相关软件计算。如在本具体应用例中可选：锥体的高度为1.5cm，顶部半径0.5cm，锥体底部距插板3、4后边沿的距离为2.9cm。

根据上述参数所设计的一个具体的用于3.8GHz微波的模式变换器的转换效率Conversion η与频率Frequency/GHz的关系见图5，反射损耗Return Loss/dB与频率Frequency/GHz的关系见图6。可以看到：在中心频率上转换效率为98.5％、反射损耗为0.023dB，转换效率带宽(η＞90％)超过10％，在3.5GHz-4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。而且在计算和实验过程中未发现模式变换器内有电场局部集中的问题。

实施例2：

图7示出，本例的模式变换器的结构与实施一唯一不同之处是，同轴波导的内导体6的前端呈一定坡度的锥形，其余结构与实施一相同。该结构为圆波导TM₀₁-同轴TEM过渡段，这样本例的模式变换器可实现圆波导TM₀₁模—同轴TEM模的变换。

下面给出本实施例的用于3.8GHz的微波模式变换的具体设计尺寸：

微波源输出频率为3.8GHz的圆波导TM₀₁模，波导半径为b＝4.5cm。将实施例1中的模式变换器内导体前端设计成图5所示的锥体形状，其它参数、尺寸与实施例一中的具体设计相同，即可实现该微波源的圆波导TM₀₁-TE₁₁模式变换。

Claims (2)

1、一种插板式同轴微波模式变换器，包括前部由内导体(6)和外导体(7)构成的同轴波导和后部由单纯外导体(7)构成的圆波导，其特征在于：

a、所述的同轴波导的内、外导体之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板(1、2、3、4)，且四块金属板(1、2、3、4)都分别与同轴波导的内、外导体(6、7)电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；

b、第一金属板(1)最短、第二、四金属板(2、4)的长度最长且相等，第三金属板(3)的长度短于第二、四金属板；

c、第三金属板(3)的长度与第一金属板长度的差值满足：由第二、四金属板构成的180°扇形截面波导中的微波电场模式与第二、三金属板或第三、四金属板构成的90°扇形截面波导中的微波电场模式的相位相差180°；

d、同轴波导的内导体(6)的末端呈一定坡度的锥形。

2、根据权利要求1所述的一种插板式同轴微波模式变换器，其特征在于：所述同轴波导的内导体(6)的前端呈一定坡度的锥形。

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