CN104064838B - 一种高功率tm11-te10微波模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波矩形波导TM11-TE10模式转换器。目的是提供一种将矩形波导TM11模式微波直接转换为矩形波导TE10模式微波的模式转换器。本发明由一个矩形波导，一个隔断插板，N块相移插板，N块补偿插板组成。隔断插板是一块一端带有尖劈结构的金属板，沿轴向用插槽的方式固定于矩形波导窄边的垂直中间位置，与矩形波导的宽边平行；相移插板垂直于矩形波导宽边均匀固定于隔断插板上表面，补偿插板垂直于矩形波导宽边均匀固定于隔断插板下表面。本发明可以实现模式转换，没有矩-圆变换等过渡结构，结构简单，加工成本低，结构紧凑，转换效率高，通频带宽。

Description

一种高功率TM11-TE10微波模式转换器

技术领域

本发明属微波技术领域，涉及一种矩形波导内高功率TM11-TE10微波模式转换器。

背景技术

在微波技术领域，利用微波模式转换器，将难以通过天线辐射或难以直接应用（如粒子加速）的微波模式转换为便于天线辐射或便于应用的微波模式是一个重要的研究方向。良好设计的微波模式转换器，可将微波源与其下游微波器件（如辐射天线）连接在一起，而不需针对特定的微波源设计专用的下游微波器件，增强了微波系统的模块化，提高了微波系统的设计和调试效率，在微波产生、传输与发射等领域具有重要的研究和应用价值。

本专利提出的一个应用背景是带状电子束微波源输出的微波为矩形波导TM11模式，需要将其转换为矩形波导TE10或圆波导TE11模式以便于向外辐射和应用。带状电子束通常是指具有大横纵比横截面的电子束。带状电子束微波源，是指利用带状电子束与微波电路（如慢波结构）相互作用产生微波辐射的器件，具有电流密度低、束－波相互作用高、结构紧凑性好、输入阻抗和注入功率便于调节等优点，有望成为实现高功率微波源工程化应用的新途径。为了提高耦合阻抗，在带状电子束微波源的束波作用区域采用双梳型慢波结构是一个重要的技术方案。在该方案中，双梳型慢波结构提取电子束的能量后输出微波的主模式为矩形波导TM11模式，不利于直接通过天线辐射出去。

一种简单的办法是：通过矩形波导-圆波导渐变结构，将矩形波导TM11模式转换为圆波导TM01模式，再利用当前已经得到广泛研究的圆波导TM01-TE11模式转换器（如同轴插板式模式转换器或S型圆波导模式转换器），将矩形波导TM11模式转变为圆波导TE11模式。这样的方案优点是充分利用现有的研究成果，技术相对成熟，但是存在结构相对复杂、轴向长度较长、紧凑性相对较差等缺点。另外，该方案在工程应用中在模式控制方面还存在一定技术风险，即大横纵比的矩形波导-圆波导渐变结构内极易激励起复杂的高次模式，且对机械加工的精度要求很高，造成生产与调试成本的显著增加。因此，“矩形波导TM11——圆波导TM01——圆波导TE11”模式转换方案不适用于带状电子束微波源等具有大横纵比的电磁结构。

可以直接通过天线辐射的微波模式除上述圆波导TE11模式外，还有矩形波导TE10模式，该模式也可以实现良好的定向辐射。设计一种结构紧凑、方案简单的模式转换器，将带状电子束微波源输出的TM11模式转换为容易定向辐射的矩形波导TE10模式，是目前带状电子束微波系统研制的一个迫切需求。

目前还没有公开的技术方案，将矩形波导TM11模式微波直接转换为矩形波导TE10模式微波。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种矩形波导TM11-TE10模式转换器，将矩形波导TM11模式微波直接转换为矩形波导TE10模式微波。

技术方案是：利用两种插板，进行微波模式变换和相位调整。先利用隔断插板将一个TM11模式微波转换为相位相反的两个TE10模式，再利用相移插板调整两个TE10模式微波的相位差，使之变为相位相同的TE10模式，最后经过隔断插板末端的尖劈渐变结构将两个TE10模式合并为一个TE10模式，完成矩形波导TM11-TE10模式的转换。

本发明的有益效果是：

1，结构简单，紧凑性好。在矩形波导中，通过简单地插入几块金属板就可以实现模式转换，没有矩-圆变换等过渡结构，结构简单，加工成本低；不改变矩形波导的横截面尺寸和外形，轴向长度仅需1～2个TE10模式微波的波导波长，结构紧凑。

2，转换效率对结构参数不敏感，加工与调试成本低。

3，转换效率高，通频带宽。通频带宽不小于10%时，模式转换效率大于97%，若降低带宽要求，模式转换效率还可进一步提高，满足大多数带状电子束高功率微波源的一般要求。

4，具有高的微波功率容量，可将其用于功率为0～10GW，甚至更高功率微波的模式转换。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的A-A剖视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明的3D示意图。

图中：1.矩形波导，2.隔断插板，3.相移插板，4.补偿插板，11.矩形波导1的窄边，12.矩形波导1的宽边

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理以及工作原理作具体的说明：

本发明由一个矩形波导1，一个隔断插板2，N块相移插板3，N块补偿插板4组成。带状电子束微波源等上游器件产生的矩形波导TM11模式微波，注入到矩形波导1内，再由隔断插板2、相移插板3和补偿插板4共同作用，进行矩形波导TM11-TE10模式转换。

矩形波导1是本发明的主体部件。其横截面宽度为a、高度为b，a等于与本器件相连的上游器件（如带状电子束微波源）输出口的横截面宽度，b等于与本器件相连的上游器件（如带状电子束微波源）输出口的横截面高度；矩形波导1轴向长度L1大于隔断插板2的轴向长度L2，即L1>L2。

隔断插板2是一块一端带有尖劈结构的金属板，沿轴向用插槽的方式固定于矩形波导1窄边11的垂直中间位置（指高度的中间），并与矩形波导1的宽边12平行。隔断插板2的宽度等于a，高度

$t1=b-\frac{2b}{\mathrm{\π}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2b}\right)}^2}\·\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2},$

式中λ为输入TM11模式微波的波长。隔断插板2的轴向长度L2等于平板段轴向长度L21和尖劈段轴向长度L22之和。隔断插板2平板段轴向长度L21与相移插板3的轴向长度L3相同；隔断插板2尖劈段轴向长度L22越大，该段造成的微波反射损耗越小，但结构紧凑性越差，取TE10模式波导波长(λ_g)₁₀的一半，通常可以满足设计要求，即

$L22=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\λ}}_g\right)}_{10}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2}}.$

相移插板3是一种金属平板，共有N块，为了提高模式的纯度，须确保TE10模式单模运转，则要求N的取值不能过小；N取值越大，本发明的轴向长度越小，结构越紧凑，但不能N无限大，其最大值以不使TE10模式微波在该段截止为原则确定，即

$\frac{a-\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+t2}<N<\frac{2a-\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+2\&CenterDot;t2}.$

相移插板3采用插槽的方式垂直于矩形波导1宽边12均匀固定于隔断插板2上表面，与矩形波导1的窄边11平行。相移插板3的前端面与隔断插板2平板段的端面平齐。相邻两块相移插板3的间距

$a1=\frac{a-N\&CenterDot;t2}{N+1},$

式中t2是相移插板3的宽度，为减小反射，要求

$t2<\frac{1}{10}\mathrm{\&lambda;}.$

相移插板3的高度

$d=\frac{b}{\mathrm{\&pi;}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2b}\right)}^2}\&CenterDot;\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2a}\right)}^2}.$

相移插板3的轴向长度

$L3=L4+\frac{1}{(\sqrt{{\left(\frac{2}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2-{\left(\frac{1}{a}\right)}^2}-\sqrt{{\left(\frac{2}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2-{\left(\frac{1}{a1}\right)}^2})},$

式中L4为补偿插板4的轴向长度。

补偿插板4也是一种金属平板，共有N块，采用插槽的方式垂直于矩形波导1宽边12均匀固定于隔断插板2下表面，与矩形波导1的窄边11平行。补偿插板4的宽度等于相移插板3的宽度t2、高度等于相移插板3的高度d、相邻两块补偿插板4的间距等于相邻两块相移插板3的间距a1，补偿插板4的前端面与隔断插板2平板段的端面平齐。补偿插板4的轴向长度L4满足

$\frac{1}{10}\mathrm{\&lambda;}<L4<\mathrm{\&lambda;}.$

矩形波导TM11模式微波在矩形波导1内沿轴向传播，遇到隔断插板2后，变为两个方向相反的TE10模式，分别在隔断插板2上下两个空间内传播。经过相移插板3和补偿插板4的相位调整，在相移插板3的末端处，原本两个相位差为180°的TE10模式变为两个同相位的TE10模式，再经过隔断插板2尖劈段的功率合成作用，变成一个TE10模式输出，完成TM11-TE10的模式转换。

Claims (2)

1.一种高功率微波TM11-TE10模式转换器，其特征在于高功率微波TM11-TE10模式转换器由一个矩形波导(1)，一个隔断插板(2)，N块相移插板(3)，N块补偿插板(4)组成：

矩形波导(1)横截面宽度为a、高度为b，a等于与高功率微波TM11-TE10模式转换器相连的上游器件输出口的横截面宽度，b等于与高功率微波TM11-TE10模式转换器相连的上游器件输出口的横截面高度；

隔断插板(2)是一块一端带有尖劈结构的金属板，沿轴向用插槽的方式固定于矩形波导(1)窄边(11)的垂直中间位置，并与矩形波导(1)的宽边(12)平行；隔断插板(2)的宽度等于a，高度

$t1=b-\frac{2b}{\mathrm{\&pi;}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2b}\right)}^2}\&CenterDot;\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2a}\right)}^2},$

式中λ为输入TM11模式微波的波长；隔断插板(2)尖劈段轴向长度L22取TE10模式波导波长(λ_g)₁₀的一半，即，

$L22=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\&lambda;}}_g\right)}_{10}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2a}\right)}^2}};$

相移插板(3)是一种金属平板，共有N块，N满足

$\frac{a-\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+t2}<N<\frac{2a-\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+2\&CenterDot;t2};$

相移插板(3)采用插槽的方式垂直于矩形波导(1)宽边(12)均匀固定于隔断插板(2)上表面，与矩形波导(1)的窄边(11)平行；相邻两块相移插板(3)的间距

$a1=\frac{a-N\&CenterDot;t2}{N+1},$

式中t2是相移插板(3)的宽度，要求

$t2<\frac{1}{10}\mathrm{\&lambda;};$

相移插板(3)的高度

$d=\frac{b}{\mathrm{\&pi;}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2b}\right)}^2}\&CenterDot;\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2a}\right)}^2};$

补偿插板(4)也是一种金属平板，共有N块，采用插槽的方式垂直于矩形波导(1)宽边(12)均匀固定于隔断插板(2)下表面，与矩形波导(1)的窄边(11)平行；补偿插板(4)的宽度等于相移插板(3)的宽度t2、高度等于相移插板(3)的高度d、相邻两块补偿插板(4)的间距等于相邻两块相移插板(3)的间距a1；补偿插板(4)的轴向长度L4满足

$\frac{1}{10}\mathrm{\&lambda;}<L4<\mathrm{\&lambda;};$

相移插板(3)的轴向长度L3满足

$L3=L4+\frac{1}{(\sqrt{{\left(\frac{2}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2-{\left(\frac{1}{a}\right)}^2}-\sqrt{{\left(\frac{2}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2-{\left(\frac{1}{a1}\right)}^2})};$

隔断插板(2)平板段轴向长度L21等于相移插板(3)的轴向长度L3；隔断插板(2)的轴向长度L2等于平板段轴向长度L21和尖劈段轴向长度L22之和；矩形波导(1)轴向长度L1大于隔断插板(2)的轴向长度L2，即L1＞L2。

2.如权利要求1所述的一种高功率微波TM11-TE10模式转换器，其特征在于所述相移插板(3)的前端面与隔断插板(2)平板段的端面平齐；补偿插板(4)的前端面与隔断插板(2)平板段的端面平齐。