CN103219567A

CN103219567A - 一种超材料模式转换器

Info

Publication number: CN103219567A
Application number: CN2013101203920A
Authority: CN
Inventors: 秦奋; 王冬
Original assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Current assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103219567B

Abstract

本发明公开了一种超材料模式转换器，属于微波传输领域，该转换器包括内导体、外导体和超材料，所述内导体为圆柱形，外导体为圆筒形，内导体插入外导体之中并同轴心；所述超材料由金属阵元沿轴向周期排布构成并连接在外导体的内壁上；内、外导体的尺寸可调，超材料的金属阵元周期数、尺寸可调；本发明的模式转换器结构紧凑，具有较高的功率容量，可以在不增加系统横向尺寸的前提下在约1/3个波长的长度内完成模式转换，能很好地应用于体积小、质量轻的紧凑型窄带高功率微波传输与发射系统。

Description

一种超材料模式转换器

技术领域

本发明属于微波传输及微波天线技术领域，具体涉及一种超材料模式转换器，本发明可以应用于高功率微波技术领域的传输与发射系统。

背景技术

超材料（Metamaterials）是指运用人工工程方法构建出的具有一般天然材料所不具备的超常性质的材料。一般由金属、介质材料或者二者结合的特殊结构作为阵元，通过精心设计排布各阵元获得一般传统材料所不能获得的物理性质。与一般材料不同，超材料的性质不是由它的材料化学组分决定，而是由它的几何结构所决定；其阵元形状、尺寸、指向及排布方式等均会对通过其中的电磁波、声波等波动的传播产生奇特的影响。刻画超材料电磁学特性的参数如介电常数、磁导率及折射率等表现出一般天然材料所不具备的奇特性质，如负介电常数、负磁导率和负折射率等等。电磁超材料的本质就是通过对阵元及其排布方式的精心设计，达到操控材料电磁特性参数的目的。由于材料特性的“可操控性”，其在微波频段得到了广泛的研究和应用，如电磁隐身、赋形天线、滤波器等等。

高功率微波（High Power Microwave, HPM）是指峰值功率大于100MW，频率介于1 GHz到300 GHz之间的电磁波。它是本世纪70年代以来随着脉冲功率技术、相对论电子学和等离子体物理等学科的发展而发展起来的一个新的研究领域。随着等离子体技术、脉冲功率技术的进步以及复杂PIC模拟工具的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。

大多数高功率微波源如轴向提取的虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器、三腔渡越时间振荡器、多波契伦克夫发生器等都具有旋转对称的慢波结构，其微波输出模式多为圆波导或同轴波导轴对称模。由于其输出端口的口径场分布具有圆对称性，这些模式直接辐射会得到环状的远场方向图，辐射场能量分散，不利于高功率微波定向辐射。

为了得到方向集中的微波辐射，需要设计轴对称模式集中辐射天线。目前在紧凑型高功率微波源设计方面应用得比较成功的轴对称模式集中辐射天线设计方案是模式转换器和辐射喇叭的结构。名称为“同轴插板式TEM-TE₁₁模式转换器的设计与实验研究”的文章（强激光与粒子束，2005年第17卷第6期，p897）提出一种插板式模式转换器，将同轴波导分成相速度不等的多个扇形波导分区，利用微波在各分区内相速度不同来实现模式转换。但是由于电磁波在各分区之间相速度差值有限，要实现TEM-TE₁₁的模式转换需要很长的系统结构。为了缩短插板式结构的长度，名称为“L波段磁绝缘线振荡器一体化辐射天线”的文章（强激光与粒子束，2008年第20卷第3期，p435）提出了一种插板与介质移相相结合的结构，移相介质的引入使模式转换器长度大为减小，但是功率容量问题仍然是该类结构的瓶颈。因此需要设计功率容量更高的紧凑型模式转换器，促进高功率微波源的实用化。

发明内容

为了使模式转换器既能实现模式转换功能，又能具有较高的功率容量，同时还能做到结构紧凑，本发明提供了一种新型的超材料模式转换器。该模式转换器能实现TEM/ 模到模的模式转换，且结构紧凑，功率容量高。

本发明采用如下技术方案：一种超材料模式转换器，包括内导体、外导体和超材料，所述内导体为圆柱形，外导体为圆筒形，内导体插入外导体之中并同轴心；所述超材料由金属阵元沿轴向周期排布构成并连接在外导体的内壁上。

在上述技术方案中，所述转换器沿微波传播方向分为输入口、模式转换区、输出口三部分。

在上述技术方案中，所述超材料位于模式转换区内。

在上述技术方案中，所述超材料周期性排列的多组金属阵元将模式转换区中的内导体、外导体组成的同轴波导沿圆周方向分成相等的两个区域。

在上述技术方案中，所述金属阵元由几何形状的栅格沿圆周方向周期排布于约180度范围内构成

在上述技术方案中，超材料的金属阵元周期数根据需要可调。

在上述技术方案中，所述内导体、外导体的尺寸可调。

在上述技术方案中，所述输入口没有内导体。

在上述技术方案中，所述输出口没有内导体。

在上述技术方案中，所述输入口、输出口均没有内导体。

本发明的优点在于：本发明的模式转换器结构紧凑，具有较高的功率容量，可以在不增加系统横向尺寸的前提下在约1/3个波长的长度内完成模式转换，能很好地应用于体积小、质量轻的紧凑型窄带高功率微波传输与发射系统。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明横截面试图；

图2是本发明的实施例一的剖视图；

图3是本发明的实施例二的剖视图；

图4是本发明的实施例三的剖视图；

图5是本发明的实施例四的剖视图；

其中，1是外导体 2是内导体 3是超材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明主要由外导体1、内导体2、超材料3三部分组成，外导体1和内导体2均有传导率高、损耗低的金属组成，一般采用不锈钢或者铜或铝；外导体1为圆筒形，内导体2为圆柱形，内导体2置于外导体1之内，并且两者同轴心，超材料3由金属阵元沿轴向周期排布构成并和外导体1的内壁连接在一起。

如图2所述，转换器沿微波传播方向分为输入口、模式转换区、输出口三部分，超材料3位于模式转换区内，超材料3的金属阵元的周期数目根据实际需要是可调的，金属阵元由几何形状的栅格沿圆周方向周期排布于约180度范围内，几何形状可以是三角形、方形、扇形等形状；栅格由横截面为方形、圆形或其他形状的金属杆构成，金属杆长度、大小、排布周期等尺度均可调。

超材料周期性排列的多组金属阵元将模式转换区中内、外导体组成的同轴波导沿圆周方向分成大致相等的两个区域；其中一个区域内分布有的金属周期阵元，形成扇形波导内的移相超材料；另一个区域内为扇形波导；两个区域之间可以在相交边界上通过金属板分开，也可以不设置金属板分隔。

在整个模式转换器中，模式转换区为沿圆周方向分布不同介电常数材料的同轴波导结构；输入口和输出口既可以为同轴波导结构，也可以为空心圆波导结构，内、外导体尺寸在三个功能区域可调。

本发明的模式转换器的工作原理是：TEM模式或模式的微波通过输入口进入模式转换器，以TEM模进入模式变换区；TEM的微波模在模式转换区沿角向被分成两部分，一部分沿移相超材料区域传播，另一部分沿扇形波导区域传播。在同等传输距离，由于微波在两个区域相速度不同，两个区域微波会产生一定相位差；选择恰当的传输距离使两个区域的微波在到达模式转换区末端时产生180度的相位差，从而两部分微波在模式转换区末端合成同轴波导中的模式，然后经由输出口向下游传输。

实施例1：

如图2所示，在转换器内每排金属阵元由两根半圆弧形金属杆及七根沿半径方向的直金属杆构成十二个扇形栅格沿圆周方向周期排布构成；在本实施例中，内导体半径68mm，外导体半径106mm；金属阵元轴向周期为20mm；在模式转换区中，每排金属阵元中的栅格张角相等均为30度；每排阵元分布于角向180度范围之内；半圆弧形金属杆及直金属杆横截面均为正方形，边长为4mm；两根半圆弧形金属杆中心半径分别为85mm和94.5mm。在仿真计算中，该模式转换器在中心频率1.53GHz上转换效率为97%，功率容量为2.5GW，模式转换区轴向长度约为0.33个微波波长。

实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是输出口无内导体，用于匹配连接空心波导传输结构。

在本实施例中，内导体半径68mm，外导体半径106mm；模式转换区中，金属阵元轴向周期为20mm；每排金属阵元中的栅格张角相等均为30度；每排阵元分布于角向180度范围之内；半圆弧形金属杆及直金属杆横截面均为正方形，边长为4mm；两根半圆弧形金属杆中心半径分别为85mm和94.5mm；模式转换区后内导体为锥形结构，其顶端半径为40mm，长度为20mm，该模式转换器在中心频率1.54GHz上转换效率为96%，功率容量为2.5GW，模式转换区轴向长度约为0.33个微波波长。

实施例3：

如图4所示，本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是输入口无内导体，用于匹配连接空心波导传输结构。

在本实施例中，内导体半径68mm，外导体半径106mm；模式转换区前内导体为锥形结构，其顶端半径为40mm，长度为20mm；模式转换区中，金属阵元轴向周期为20mm；每排金属阵元中的栅格张角相等均为30度；每排阵元分布于角向180度范围之内；半圆弧形金属杆及直金属杆横截面均为正方形，边长为4mm；两根半圆弧形金属杆中心半径分别为85mm和94.5mm。该模式转换器在中心频率1.54GHz上转换效率为96%，功率容量为2.5GW，模式转换区轴向长度约为0.33个微波波长。

实施例4：

如图5所示，本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是输入口与输出口均无内导体，用于匹配连接空心波导传输结构。

在本实施例中，内导体半径68mm，外导体半径106mm；模式转换区前后内导体均为锥形结构，其顶端半径为20mm，长度为60mm；模式转换区中，金属阵元轴向周期为20mm；每排金属阵元中的栅格张角相等均为30度；每排阵元分布于角向180度范围之内；半圆弧形金属杆及直金属杆横截面均为正方形，边长为4mm；两根半圆弧形金属杆中心半径分别为85mm和94.5mm。该模式转换器在中心频率1.52GHz上转换效率为95%，功率容量为2.5GW，模式转换区轴向长度约为0.33个微波波长。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超材料模式转换器，其特征在于包括内导体、外导体和超材料，所述内导体为圆柱形，外导体为圆筒形，内导体插入外导体之中并同轴心；所述超材料由金属阵元沿轴向周期排布构成并连接在外导体的内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种超材料模式转换器，其特征为所述转换器沿微波传播方向分为输入口、模式转换区、输出口三部分。

3.根据权利要求2所述的一种超材料模式转换器，其特征在于所述超材料位于模式转换区内。

4.根据权利要求3所述的一种超材料模式转换器，其特征为所述超材料周期性排列的多组金属阵元将模式转换区中的内导体、外导体组成的同轴波导沿圆周方向分成相等的两个区域。

5.根据权利要求1所述的一种超材料模式转换器，其特征在于所述金属阵元由几何形状的栅格沿圆周方向周期排布于约180度范围内构成。

6.根据权利要求5所述的一种超材料模式转换器，其特征为超材料的金属阵元周期数根据需要可调。

7.根据权利要求2所述的一种超材料模式转换器，其特征为所述内导体、外导体的尺寸在可调。

8.根据权利要求7所述的一种超材料模式转换器，其特征为所述输入口没有内导体。

9.根据权利要求7所述的一种超材料模式转换器，其特征为所述输出口没有内导体。

10.根据权利要求7所述的一种超材料模式转换器，其特征为所述输入口、输出口均没有内导体。