CN103956537A - 高功率微波圆波导插板混合模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了高功率微波圆波导插板混合模式转换器。包括输入波导、相位调节过渡波导和输出波导，输入内导体输出端连接过渡内导体输入端，过渡内导体输出端连接输出内导体输入端。输入外导体输出端连接过渡外导体输入端，过渡外导体输出端连接输出外导体输入端。高功率微波在过模圆波导中以TM_0n混合模式输入该高功率微波圆波导插板混合模式转换器，经模式转换后输出圆波导TM₀₁模式或圆波导同轴TEM模式。本发明体积小、重量轻、结构紧凑、转换效率高、功率容量大、工作频带较宽、易于与高功率微波系统集成等优点，可以应用于高频段的高功率微波混合模式辐射系统中。

Description

高功率微波圆波导插板混合模式转换器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种模式转换器，尤其是一种工作在高频段的高功率过模结构混合模式转换器。

背景技术

近年来，高功率微波（根据Benford和Swegle的约定，高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1~100GHz之间的电磁波）在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，已经提出的高功率微波应用多种多样：高功率微波定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统等。迄今为止，高功率微波源的研究成果主要集中在L、S、C、X等波段，而发展更高频率的高功率微波设备将是高功率微波研究领域的下一重点之一。基于高功率微波源向更高频段发展的特点，其为提高输出功率通常采用过模结构，对研究高频段高功率容量的发射系统提出了很多新的问题，例如：高频段过模高功率微波源的输出模式可能为TM_0n混合模式（同时含有TM₀₁、TM₀₂、TM₀₃等模式），而现有的高功率微波发射系统基本上是单一模式驱动，因此这类发射天线无法作为高频段过模高功率微波源的发射终端。此外，已经研制成功的高功率微波发射系统，例如：模式转换天线、径向线螺旋阵列天线等，基本上工作于较低频段，由于其复杂结构对功率容量的限制，无法直接缩比应用于更高频段。另一方面，当前的民用、军用高频发射天线主要应用于信号传输，一般功率容量不高，也无法直接应用于高功率微波领域。因此，研究高频段高功率微波发射系统尤为迫切，并且具有十分广阔的应用前景。作为高频段高功率微波发射系统的关键部件之一——高频高功率过模结构混合模式转换器将成为研究热点之一。

多数微波源均输出同轴波导或圆波导旋转轴对称模，如TM_0n或同轴TEM模等，其中主流模式是圆波导TM₀₁模和同轴TEM模。由于这些模式由于场分布和极化方向在波导横截面上绕波导轴具有旋转对称性，因而其辐射方向呈现出轴向为零的环状远场方向图。显然，这样的模式若直接发射或用于驱动传统的天线将会有轴向辐射为零、能量分散、旁瓣电平高等问题，最终导致能量不能有效地集中在目标上。因此，一般在高功率微波源与发射天线之间需要加入一段模式转换器件，将微波源产生的微波模式转换为符合发射要求的模式。其外接波导模式转换器一般采用以下变换序列： 

TM_0n（高功率微波源）－TM₀₁－TE₁₁－HE₁₁（天线）

模式转换器从理论上讲包括一切能够实现微波模式转换的器件。模式转换环节对高功率微波的传输、发送和测量均十分重要。这里主要介绍的是适用于高功率微波的、将轴对称模式转换为易于定向发射模式的模式转换器。双弯曲型波导模式转换器是当前应用最广泛的高功率微波模式转换器，其优点是转换效率高、能够和传统天线配合使用；存在的缺点是体积大、加工困难，特别是它的输入端和输出端不在同一轴线上，影响整个辐射系统（或高功率微波系统）的紧凑性。Robert L. Eisenhart等人提出一种新型宽带模式转换结构，在L 波段该转换器插入损耗小于0.5dB，带宽超过30%。但是这种模式转换器的中间部分为单模传输的矩形波导，尺寸较小，在高频应用中会因为波导尺寸太小而发生击穿。国防科大袁成卫博士研究了一种同轴插片式模式转换器，这种模式转换器输入输出和系统共轴的特点，不仅大幅度缩小了整个系统的体积，有利于实现整个辐射系统的紧凑化设计的同时有效控制输出模式。经过一系列模式变换，该模式转换器可以将圆波导TM₀₁或TEM模式转换为圆波导线极化或圆极化TE₁₁模式。电子科技大学牛建新等博士设计的波导半径小幅度微扰结构模式转换器，可以在过模结构下实现TM_0n－TM₀₁的逐级转换（TM_0n－TM_0n-1……－TM₀₂－TM₀₁），但存在的问题是需要相当长一段距离才能实现整个转换，且频带较窄。此外，过模圆波导结构下，采用弯曲波导或蛇形线周期微扰波导将TM₀₁转换为TE₁₁的这一问题已经得到很好的解决。

对于另一种情况，高频过模高功率微波源输出为圆波导同轴TEM模式，可直接采用国防科技大学袁成卫博士设计的高功率微波径向线缝隙阵列天线，实现微波的定向辐射。

由以上论述可以发现，当前高功率微波模式转换器转换模式单一，针对高功率微波源向高频段发展，其过模结构下输出TM_0n混合模式（同时含有TM₀₁、TM₀₂、TM₀₃等模式）的新问题，上述模式转换器件在原理上无法满足混合模式转换，实现微波定向辐射的要求。针对这一技术问题，设计的高功率微波混合模式转换器需要在一定过模结构下，将TM_0n混合模式转换为单一的圆波导TM₀₁模式或圆波导同轴TEM模式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有高功率微波模式转换器转换模式单一的不足，提供一种结构紧凑、具有高功率容量的新型混合模式转换器。

本发明的技术方案是：

本发明高功率微波圆波导插板混合模式转换器包括输入波导、相位调节过渡波导和输出波导，其中，

所述输入波导包括2+n层圆柱层，从内向外同圆心分布，分别为输入内导体、输入圆环插板和输入外导体，输入圆环插板包括n层，n为正整数，具体数目依据实际应用情况而定。

所述相位调节过渡波导包括2+n层，从内向外同圆心轴线分布，分别为过渡内导体、过渡圆环插板和过渡外导体，过渡圆环插板包括n层；其中过渡外导体为圆柱形状，过渡内导体和过渡圆环插板为圆锥形状；在过渡内导体与过渡圆环插板之间、过渡圆环插板个层之间及过渡圆环插板与过渡外导体之间，都设有角向相位调节插板；角向相位调节插板包括n+1层，每层设有m个，每层的角向相位调节插板在同一圆周上均匀分布。

所述输出波导包括包括2+n层圆柱层，从内向外同圆心分布，分别为输出内导体、输出圆环插板和输出外导体，输出圆环插板包括n层。

所述输入内导体的输出端与过渡内导体的输入端同直径，这两端密封连接；过渡内导体的输出端与输出内导体得输入端同直径，这两端密封连接。n层输入圆环插板的输出端与n层过渡圆环插板的输入端，各对应层的端口同直径，各个对应层的两端密封连接；n层过渡圆环插板的输出端与n层输出圆环插板的输入端，各对应层的端口同直径，各对应层的这两端口密封连接。输入外导体的输出端与过渡外导体的输入端同直径，这两端密封连接；过渡外导体的输出端与输出外导体的输入端同直径，这两端密封连接。

所述高功率微波圆波导插板混合模式转换器的各参数满足以下条件：

输入波导参数：输入外导体半径R _input-out与高功率微波源输出口半径一致，输入内导体半径R _input-in，输入圆环插板的半径R _{input-insert-n}(n=1,2,3…)等参数，根据具体的TM_0n混合模式中各模式的比例系数与功率容量的限制进行选择。其满足：R _{input-insert-1} –R _input-in< λ₀，R _{input-insert-n} –R _{input-insert-n-1} < λ₀，R _input-out –max(R _input-in-n) < λ₀，(n=1,2,3…)，其中λ₀为自由空间波长。输入圆环插板的长度L _{input-insert-n}(n=1,2,3…)需综合调节，使整体反射达到最小。实际应用时，根据具体工作条件进行选择，它能够承受的功率容量值采用电磁仿真软件（如CST）仿真得到。

相位调节过渡波导参数：该波导用于输入波导的输出端口到输出波导的输入端口之间的过渡，通过调节角向相位调节插板的长度，实现各过渡圆环插板中同轴TEM模式的相位调节，以满足输出波导输出相应模式TME或TM₀₁的相位条件。对于相位调节过渡波导中处于同一层同轴波导中的角向相位调节插板的数量m应满足：f _cutoff (TE_m0) > f ₀ 。f ₀为工作频率，f _cutoff为截止频率，为TE_m0为。其中n+1层每层的m应分别计算。

输出波导参数：输出内导体半径R _output-in，输出圆环插板的半径R _{output-insert-n}(n=1,2,3…)等参数，则需要根据相位调节过渡波导中各同轴波导所传输的微波功率占输出微波总功率的比例系数与功率容量的限制进行选择。其应满足：R _{output-insert-1} –R _output-in< λ₀，R _{output-insert-n} –R _{output-insert-n-1} < λ₀，R _output-out –max(R _input-in-n) < λ₀，(n=1,2,3…)。输出圆环插板的长度L _{output-insert-n}(n=1,2,3…)等参数要综合调节，使整体传输系数达到最大。实际应用时，要根据具体工作条件进行选择，它能够承受的功率容量值采用电磁仿真软件（如CST）仿真得到。                     

本发明的有益效果为：高功率微波在过模圆波导中以TM_0n混合模式输入该高功率微波圆波导插板混合模式转换器，经模式转换后输出圆波导TM₀₁模式或圆波导同轴TEM模式。本发明体积小、重量轻、结构紧凑、转换效率高、功率容量大、工作频带较宽、易于与高功率微波系统集成等优点，可以应用于高频段的高功率微波混合模式辐射系统中，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例一提供的高功率微波圆波导插板混合模式转换器的轴向剖面图；

图2为图1的A方向正视图；

图3为图1的B方向正视图；

图4为高功率微波圆波导插板混合模式转换器的输入波导；

图5为高功率微波圆波导插板混合模式转换器的相位调节过渡波导；

图6为高功率微波圆波导插板混合模式转换器的输出波导；

图7为本发明具体实施例二提供的高功率微波圆波导插板混合模式转换器的轴向剖面图；

图8为本发明实施例一的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，将TM_0n混合模式（含有TM₀₁、TM₀₃模式，分别占总功率的70%、30%）转换为圆波导同轴TEM模，取n = 2。本发明高功率微波圆波导插板混合模式转换器包括输入波导、相位调节过渡波导和输出波导。输入波导的输出端口接相位调节过渡波导的输入端口，相位调节过渡波导的输出端口接输出波导的输入端口。输入波导由输入内导体（1）、输入圆环插板和输入外导体构成（2）。输入圆环插板由输入圆环插板Ⅰ（3）、输入圆环插板Ⅱ（4）共2层构成。相位调节过渡波导由过渡内导体（5）、过渡圆环插板、角向相位调节插板和过渡外导体（6）构成。过渡圆环插板由过渡圆环插板Ⅰ（7）、过渡圆环插板Ⅱ（8）共2层构成。角向相位调节插板由角向相位调节插板Ⅰ（9）、角向相位调节插板Ⅱ（10）、角向相位调节插板Ⅲ（11）共3层构成。过渡内导体（5）与过渡圆环插板Ⅰ（7）之间设有角向相位调节插板Ⅰ（9），于过渡圆环插板Ⅰ（7）与过渡圆环插板Ⅱ（8）之间设有角向相位调节插板Ⅱ（10），过渡圆环插板Ⅱ（8）与过渡外导体（6）之间设有角向相位调节插板Ⅲ（11）。输出波导由输出内导体（12）、输出圆环插板和输出外导体（13）构成。输出圆环插板由输出圆环插板Ⅰ（14）、输出圆环插板Ⅱ（15）共2层构成。

输入内导体（1）输出端连接过渡内导体（5）输入端，过渡内导体（5）输出端连接输出内导体（12）输入端。输入外导体（2）输出端连接过渡外导体（6）输入端，过渡外导体（6）输出端连接输出外导体（13）输入端。

    实施例二：

如图7所示，将TM_0n混合模式（含有TM₀₁、TM₀₃模式，分别占总功率的70%、30%）转换为圆波导TM₀₁模，取n = 3。本发明的结构关系描述方式与例一相同。

具体地，针对例一，国防科技大学设计了中心频率为15.2GHz的高功率微波圆波导插板混合模式转换器，其口径R _input-out=35mm，长度L小于150mm。在中心频点处，TM_0n混合模式（含有TM₀₁、TM₀₃模式，分别占总功率的70%、30%）转换为圆波导同轴TEM模的转换效率大于95%，转换效率大于90%的带宽大于500MHz，系统功率容量大于2GW；针对例二，国防科技大学设计了中心频率为15.2GHz的高功率微波圆波导插板混合模式转换器，其口径R _input-out=35mm，长度L小于150mm。在中心频点处，TM_0n混合模式（含有TM₀₁、TM₀₃模式，分别占总功率的70%、30%）转换为圆波导TM₀₁模的转换效率大于95%，转换效率大于90%的带宽大于500MHz，系统功率容量大于2GW。

由上述结果可知，本发明这种实施方式具有反射小，功率容量高的特点。

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述，以使他们易于理解与运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施的各种变更是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不限定在这里所述的方案，而是与所述的权利要求一致的范围。

Claims (4)

1.高功率微波圆波导插板混合模式转换器，包括输入波导、相位调节过渡波导和输出波导，其特征在于，

所述输入波导包括2+n层圆柱层，从内向外同圆心分布，分别为输入内导体、输入圆环插板和输入外导体，输入圆环插板包括n层，n为正整数； 

所述相位调节过渡波导包括2+n层，从内向外同圆心轴线分布，分别为过渡内导体、过渡圆环插板和过渡外导体，过渡圆环插板包括n层；其中过渡外导体为圆柱形状，过渡内导体和过渡圆环插板为圆锥形状；在过渡内导体与过渡圆环插板之间、过渡圆环插板各层之间及过渡圆环插板与过渡外导体之间，都设有角向相位调节插板；角向相位调节插板包括n+1层，每层设有m个，每层的角向相位调节插板在同一圆周上均匀分布；

所述输出波导包括包括2+n层圆柱层，从内向外同圆心分布，分别为输出内导体、输出圆环插板和输出外导体，输出圆环插板包括n层；

所述输入内导体的输出端与过渡内导体的输入端同直径，这两端密封连接；过渡内导体的输出端与输出内导体得输入端同直径，这两端密封连接；n层输入圆环插板的输出端与n层过渡圆环插板的输入端，各对应层的端口同直径，各个对应层的两端密封连接；n层过渡圆环插板的输出端与n层输出圆环插板的输入端，各对应层的端口同直径，各对应层的这两端口密封连接；输入外导体的输出端与过渡外导体的输入端同直径，这两端密封连接；过渡外导体的输出端与输出外导体的输入端同直径，这两端密封连接。

2.根据权利要求1所述的高功率微波圆波导插板混合模式转换器，其特征在于，所述输入波导参数满足以下条件：输入外导体半径R _input-out与高功率微波源输出口半径一致，输入内导体半径R _input-in，输入圆环插板的半径R _{input-insert-n}，n=1,2,3…，根据具体的TM_0n混合模式中各模式的比例系数与功率容量的限制进行选择，其满足：R _{input-insert-1} –R _input-in< λ₀，R _{input-insert-n} –R _{input-insert-n-1} < λ₀，R _input-out –max(R _input-in-n) < λ₀，其中λ₀为自由空间波长，输入圆环插板的长度L _{input-insert-n}综合调节，使整体反射达到最小。

3.根据权利要求1所述的高功率微波圆波导插板混合模式转换器，其特征在于，相位调节过渡波导参数满足以下条件：通过调节角向相位调节插板的长度，实现各过渡圆环插板中同轴TEM模式的相位调节，以满足输出波导输出相应模式TME或TM₀₁的相位条件，对于相位调节过渡波导中处于同一层同轴波导中的角向相位调节插板的数量m应满足：f _cutoff (TE_m0) > f ₀ ，f ₀为工作频率，f _cutoff为截止频率，为TE_m0为，其中n+1层每层的m分别计算。

4.根据权利要求1所述的高功率微波圆波导插板混合模式转换器，其特征在于，输出波导参数：输出内导体半径R _output-in，输出圆环插板的半径R _{output-insert-n}，n=1,2,3…，根据相位调节过渡波导中各同轴波导所传输的微波功率占输出微波总功率的比例系数与功率容量的限制进行选择，其满足：R _{output-insert-1} –R _output-in< λ₀，R _{output-insert-n} –R _{output-insert-n-1} < λ₀，R _output-out –max(R _input-in-n) < λ₀，输出圆环插板的长度L _{output-insert-n}综合调节，使整体传输系数达到最大。