CN102280676A - 一种圆波导te01模模式变换器 - Google Patents

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蔡钟斌
康小克
刘玥玲
郑贵强
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Abstract

本发明公开了一种圆波导TE01模模式变换器，包括矩形波导功分结构单元、模式转换结构单元和波导渐变结构单元，矩形波导功分结构单元与模式转换结构单元连接，模式转换结构单元与波导渐变结构单元连接；该矩形波导功分结构单元包括两级分支波导结构时，电磁波TE10模首先经矩形波导功分结构单元进入，经过两个第一级分支波导结构等幅功分形成两路等幅同相的TE10模，然后两路等幅同相的TE10模经第二级分支波导结构等幅功分形成四路等幅同相的TE10模，该四路等幅同相的TE10模同时通过模式转换结构单元进行转换，转换后经波导渐变结构单元得到圆波导并输出TE01模；本发明具有模式纯度高、工作带宽宽和较易加工的优点。

Description

一种圆波导TE<sub>01</sub>模模式变换器
技术领域
本发明涉及通信技术领域的圆波导TE01模技术，特别涉及一种圆波导TE01模模式变换器。
背景技术
圆波导TE01模具有电场和磁场的圆对称结构和低的波导损耗特性，因而在很多方面具有重要应用，例如电子回旋脉塞器件，回旋管，毫米波远距离传输等领域。特别是回旋管器件，要求高效的模式变换器，而且它的稳定性和可调谐性直接受模式变换器性能的影响。
在现有技术中，生成圆波导TE01模的方法大致分为直进式耦合和侧耦合两种。采用直进式耦合的方法通常是通过改变波导结构将输入的波导模式转换为想要的模式，采用这种方法的模式变换器通常比较长，而且在模式转换过程中容易激励起其他杂模，例如Marie模式变换器。采用侧耦合方法主要是通过在光滑波导壁上开耦合孔，典型的耦合方法是多孔定向耦合，侧耦合模式变换器的特点是通常模式纯度较高但工作带宽相对较窄。
而在回旋管器件应用中，杂模的存在通常会引起杂模竞争等一系列的问题，缩短模式变换器长度，提高模式转换纯度有助于解决模式竞争的问题，另一方面随着毫米波技术的发展，对毫米波器件的工作带宽提出了越来越高的要求，模式变换器需要具有较宽的工作带宽。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种圆波导TE01模模式变换器，该模式变化器的长度较短，模式纯度高，因此也就可以有效解决模式竞争的问题，而且工作带宽更宽。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种圆波导TE01模模式变换器，其特征在于包括：矩形波导功分结构单元、模式转换结构单元和波导渐变结构单元，其中：
所述矩形波导功分结构单元包括两级分支波导结构，即第一级分支波导结构和第二级分支波导结构；其中第一级分支波导结构分出两个分支波导支路，即两个第二级分支波导结构，第二级分支波导结构又分别分出两个分支波导支路；最后四个分支波导支路的输出端同时与模式转换结构单元连接；
所述模式转换结构单元呈十字形波导结构，采用这种结构可以实现更宽的工作带宽；
所述波导渐变结构单元包括十字形波导与锥形渐变波导，圆锥状渐变波导沿十字形波导的中心轴线嵌入，这样可以实现更宽的工作带宽，便于加工，圆锥状渐变波导的底面为波导渐变结构单元输出端，相反方向为波导渐变结构单元输入端。
本发明的结构中，矩形波导功分结构单元与模式转换结构单元处于同一平面，矩形波导功分结构单元的四路输出波导与模式转换结构单元十字形波导结构垂直连接；模式转换结构单元输出端为十字形波导，波导渐变结构单元是将十字形波导渐变到圆波导，采用的方式是沿十字形波导中轴线内置圆锥状渐变波导，实现输出口为圆波导。
所述矩形波导功分结构单元的分支结构为T形分支，即每一级分支都只有两个分支波导支路。
所述模式转换结构单元的底部中心设置有锥体状凹陷面，因为锥体状凹陷面近似于斜面，所以通过似于斜面的结构使矩形波导功分结构单元经与模式转换结构单元连接，可以满足阻抗匹配，保证模式转换结构的转换效率。
本发明的工作原理如下：
当矩形波导功分结构单元只包括两级分支波导结构时，电磁波TE10模首先经矩形波导功分结构单元进入，经过两个第一级分支波导结构等幅功分形成两路等幅同相的TE10模，然后两路等幅同相的TE10模经第二级分支波导结构等幅功分形成四路等幅同相的TE10模，该四路等幅同相的TE10模同时通过模式转换结构单元进行转换，转换后经波导渐变结构单元得到圆波导并输出TE01模。
本发明的有益效果如下：
本发明结构简单易于加工，便于保证机加精度，因为随着功分级数的增加，插损也会增加，所以本发明采用两级功分的结构，从而保证尽可能地减小插损；在性能上，同时集合了现有技术中同类模式变换器的优点，模式转换结构和波导渐变结构可以实现高模式纯度和宽工作带宽，充分利用了相关模式的传播特性。
附图说明
图1是本发明的原理框图
图2是本发明的结构示意图
图3是本发明的模式变换仿真结果示意图
图4是本发明的传输性能仿真结果示意图
其中，附图标记为：1矩形波导功分结构单元、2模式转换结构单元、3波导渐变结构单元，4锥体状凹陷面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-2所示，本发明是一种圆波导TE01模模式变换器，包括矩形波导功分结构单元、模式转换结构单元和波导渐变结构单元，矩形波导功分结构单元与模式转换结构单元处于同一平面，矩形波导功分结构单元的四路输出波导与模式转换结构单元十字形波导结构垂直连接；模式转换结构单元输出端为十字形波导，波导渐变结构单元是将十字形波导渐变到圆波导，采用的方式是沿十字形波导中轴线内置圆锥状渐变波导，实现输出口为圆波导。
其中，具体结构如下：
所述矩形波导功分结构单元包括两级分支波导结构，即第一级分支波导结构和第二级分支波导结构；其中第一级分支波导结构分出两个分支波导支路，即两个第二级分支波导结构，第二级分支波导结构又分别分出两个分支波导支路；最后四个分支波导支路的输出端同时与模式转换结构单元垂直连接；
所述模式转换结构单元呈十字形波导结构，采用这种结构可以实现更宽的工作带宽；
所述波导渐变结构单元包括十字形波导与锥形渐变波导，圆锥状渐变波导沿十字形波导的中心轴线嵌入，这样可以实现更宽的工作带宽，便于加工，圆锥状渐变波导的底面为波导渐变结构单元输出端，相反方向为波导渐变结构单元输入端。
所述矩形波导功分结构单元的分支结构为T形分支，即每一级分支都只有两个分支波导支路。
所述模式转换结构单元的底部中心设置有锥体状凹陷面，因为锥体状凹陷面近似于斜面，所以通过似于斜面的结构使矩形波导功分结构单元经与模式转换结构单元连接，可以满足阻抗匹配，保证模式转换结构的转换效率。
本发明的工作原理如下：
当矩形波导功分结构单元只包括两级分支波导结构时，电磁波TE10模首先经矩形波导功分结构单元进入，经过两个第一级分支波导结构等幅功分形成两路等幅同相的TE10模，然后两路等幅同相的TE10模经第二级分支波导结构等幅功分形成四路等幅同相的TE10模，该四路等幅同相的TE10模仍然是矩形波导，该四路等幅同相的TE10模经输出端的斜面弯转汇聚合成十字形波导，在十字形波导内形成TE22模，并确保模式转换结构具有良好的传输效果，再通过内嵌的圆锥状渐变波导将十字形模式转换结构渐变到圆波导，由TE22模电场方向的特殊性，在圆波导端口便可得到TE01模的输出。
如图3-4所示，反映了本发明的圆波导TE01模模式变换器的仿真结果和模式变换器高模式纯度、宽工作带宽的特性，包括模式变换器的场模式图、圆波导TE01模插损S(2:6；1:1)、可用工作带宽及其他杂模水平。
本发明所述的模式转换结构为不同于现有技术中的侧耦合圆波导结构，四路矩形波导并不是直接与圆波导相接，而是与十字形波导相接，并采用圆锥状匹配结构；同时，所述渐变波导部分，采用将十字形波导与内置锥形波导相结合的方式渐变到圆波导。
其中，本发明圆波导TE01模模式变换器设计指标为：TE01模模式纯度大于95%、工作带宽达9GHz、杂模转换效率低于0.1%。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种圆波导TE01模模式变换器，其特征在于包括：矩形波导功分结构单元、模式转换结构单元和波导渐变结构单元，其中：所述矩形波导功分结构单元包括两级分支波导结构，即第一级分支波导结构和第二级分支波导结构；其中第一级分支波导结构分出两个分支波导支路，即两个第二级分支波导结构，第二级分支波导结构又分别分出两个分支波导支路；最后四个分支波导支路的输出端同时与模式转换结构单元连接；所述模式转换结构单元呈十字形波导结构；所述波导渐变结构单元包括十字形波导与锥形渐变波导，圆锥状渐变波导沿十字形波导的中心轴线嵌入，圆锥状渐变波导的底面为波导渐变结构单元输出端，相反方向为波导渐变结构单元输入端。
2.根据权利要求1所述的圆波导TE01模模式变换器，其特征在于：所述矩形波导功分结构单元的分支结构为T形分支，即每一级分支都只有两个分支波导支路。
3.根据权利要求1或2所述的圆波导TE01模模式变换器，其特征在于：所述模式转换结构单元的底部中心设置有锥体状凹陷面，通过锥体状凹陷面使矩形波导功分结构单元经近似斜面状的结构与模式转换结构单元连接。
4.根据权利要求1所述的圆波导TE01模模式变换器，其特征在于工作原理为：当矩形波导功分结构单元只包括两级分支波导结构时，电磁波TE10模首先经矩形波导功分结构单元进入，经过两个第一级分支波导结构等幅功分形成两路等幅同相的TE10模，然后两路等幅同相的TE10模经第二级分支波导结构等幅功分形成四路等幅同相的TE10模，该四路等幅同相的TE10模同时通过模式转换结构单元进行转换，转换后经波导渐变结构单元得到圆波导并输出TE01模。
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