CN105552483A

CN105552483A - 一种TE○0n/TE○1n模式激励器

Info

Publication number: CN105552483A
Application number: CN201510956119.0A
Authority: CN
Inventors: 刘国; 王燕; 罗勇; 王建勋; 鄢然; 蒲友雷; 徐勇; 蒋伟
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: CN105552483B

Abstract

本发明公开了一种模式激励器：第一矩形波导(1-2)的一端连接输入端口(1-1)，一端连接第一一阶匹配阶梯波导(1-3)；第二矩形波导(1-4)的一端连接第一一阶匹配阶梯波导(1-3)，一端连接第二一阶匹配阶梯波导(1-5)，第二一阶匹配阶梯波导(1-5)的另一端为短路面(1-6)；第三矩形波导(1-8)的一端通过耦合孔(1-7)与第二矩形波导(1-4)的侧壁连接，一端连接第三一阶匹配阶梯波导(2-2)；第一圆形波导(2-5)的一端连接第三一阶匹配阶梯波导(2-2)，一端连接渐变圆形波导(2-6)；第二圆形波导(2-7)的一端连接渐变圆形波导(2-6)，一端连接输出端口(2-1)；第一圆形波导(2-5)的内壁设置不同尺寸的对称脊。本发明反射小，模式纯度高，工作带宽较宽。

Description

一种TE○0n/TE○1n模式激励器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种针对回旋放大器、回旋速调管以及回旋振荡管的高频系统进行冷测的模式激励装置。

背景技术

模式变换器在微波毫米波的通信、测试、固态功率合成等方面有着重要应用。近年来,国内外在回旋放大器(包括回旋行波管和回旋速调管)和回旋振荡管的研制方面取得了很大进展。回旋管腔体输出的工作模式一般不适合直接使用，所以无法对系统的性能进行验证，因此常常需要通过模式变换将这些模式转换为便于直接使用的形式，从而需要设计模式激励器来对回旋管的高频系统的性能进行冷测，包括对介质加载电路、输出窗、输入窗(只针对回旋放大器)传输反射特性的测试、谐振腔的频率和Q值的测试等。要对以上高频系统的性能进行冷测,研制激励(其中特征值m表示场沿整个圆周分布的驻波周期数，特征值n表示场在半径上分布的半驻波数)模式的模式变换器是必需的。

模式激励器要求转换模式纯度高、加工制造简单、一定的频带宽度。在回旋器件中,主要采用的工作模式是模,也有一部分工作在模式。但是这些低阶的模式在在向高频段尤其是太赫兹频段转换时，高频尺寸变得很小，这大大限制了回旋器件的功率容量。采用高阶模式的回旋管不仅可以增加高频段工作的回旋管的功率容量，也可以避免器件加工尺寸过小和电子截获，然而对于高阶模式的激励器研究的却比较少。常见的模式激励器有十字交叉形变换器、侧壁耦合模式变换器、H面弯曲模式变换器等。如“《真空科学与技术学报》，2013年，第33卷(4)，309-314页”中所公开的十字交叉形变换器，虽然其工作频带宽，输出的模式纯度高，但需要采用电铸的方法制作，器件体积较大，造价昂贵。以及“《强激光与粒子束》，2014年，第26卷(6)”中所公开的H面弯曲模式变换器，该结构的激励器转换效率在95％以上，模式纯度在98％以上的相对带宽可达4.2GHz，虽然带宽和模式纯度比较高，结构简单但是灵活性不够，转换为更高阶的模式不方便。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供在模式纯度高且满足一定频带宽度的要求基础的一种新型的到模式激励器。

本发明的模式激励器为：第一矩形波导的一端连接输入端口，一端连接第一一阶匹配阶梯波导；第二矩形波导的一端连接第一一阶匹配阶梯波导，一端连接第二一阶匹配阶梯波导，第二一阶匹配阶梯波导的另一端为短路面；第三矩形波导的一端通过耦合孔与第二矩形波导的侧壁连接，一端连接第三一阶匹配阶梯波导；第一圆形波导的一端连接第三一阶匹配阶梯波导，一端连接渐变圆形波导；第二圆形波导的一端连接渐变圆形波导(2-6)，一端连接输出端口；第一圆形波导的内壁设置不同尺寸的对称脊，渐变圆形波导的横截直径沿传播方向变小。

通过调整本发明的耦合孔个数，可以得到更高阶的矩形波导模式，以输入波导为为例，当耦合孔个数为2时，则可得到矩形波导模式当耦合孔个数为3时，则可得到矩形波导模式因此，当耦合孔的个数大于1时，各耦合孔平行排列，且中心轴垂直于第三矩形波导的中心轴。

进一步的，对称脊的每个脊的形状优选为：沿传播方向的横截面为弧形，垂直于传播方向的横截面为抛物线，即对称脊的脊的形状等同于将圆柱的部分嵌入到第一圆形波导所形成的凸起(相对于第一圆形波导的内壁凸起)的形状。通过调整对称脊的对数以及大小，以得到不同阶的高阶圆形波导模式，例如等。

本发明中所出现的其上标用于区分波导模式为圆形还是矩形，下标表示特征值，当为圆形波导模式时，m表示场沿整个圆周分布的驻波周期数，n表示场在半径上分布的半驻波数；当为矩形波导模式时，m表示场在波导宽边半驻波数，n表示场在波导窄边半驻波数。

本发明对经输入端口输入的矩形波(一般为模式)，通过第二矩形波导和第三矩形波导之间的n-1个耦合孔在第三矩形波导中磁耦合形成高阶的矩形模式各一阶匹配阶梯波导和短路面用于减小端口反射和提高模式纯度。第三矩形波导和第一圆形波导之间的第三一阶匹配阶梯波导用于减小反射。第一圆形波导、渐变圆形波导、第二圆形波导以及加载在第一圆形波导内壁的对称脊用于激励模式。当矩形波传播到第一圆形波导时(以激励器为例)，不仅所需求的圆形波导模式会被激励，其他具有类似的电场分布的竞争模式(例如等，此三者为主要竞争模式)也会形成。因第三矩形波导中经耦合孔磁耦合形成的模式中间的电场为零，其两边的电场方向相反，与竞争模式的电场分布差异很大，因此很难形成，而对于竞争模式由于对于同一尺寸的圆形波导其截止频率高于所需求的模式的截止频率，则可以通过模拟仿真软件优化圆形波导(第一、二圆形波导、渐变圆形波导)的尺寸以保证该模式不在所关注的频带内形成。因而模式的抑制是重点，第一圆形波导的内壁设置不同尺寸的对称脊可以用于切断竞争模式的表面电流，从而规避该模式对应电场或模式的形成。不同圆柱形脊的半径可以通过模拟仿真软件优化得到。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：结构紧凑，加工简便；扩展性强，便于改进成高阶模激励器；反射小，模式纯度高，工作带宽较宽。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的结构透视图。

图2是本发明的具体实施方式的三维剖面示意图。

图3是本发明的具体实施方式的第一部分的三维剖面示意图。

图4是本发明的具体实施方式的第二部分的三维剖面示意图。

图5是端口1-1的反射系数S₁₁,模式在端口1-1、2-1之间的传输系数S₂₁。

图6是不加圆柱形脊时端口1-1的反射系数S₁₁,模式在端口1-1、2-1之间的传输系数S₂₁。

图7是本发明扩展为其他高阶模式激励器的示意图。

其中：1表示第一部分，2表示第二部分；1-1表示输入端口；1-2表示第一矩形波导；1-3表示第一一阶匹配阶梯波导；1-4表示第二矩形波导；1-5表示第二一阶匹配阶梯波导；1-6表示短路面；1-7表示耦合孔；1-8表示第三矩形波导；2-1表示输出端口；2-2表示第三一阶匹配阶梯波导；2-3表示小圆柱形脊；2-4表示大圆柱形脊；2-5表示第一圆波导；2-6表示渐变圆波导；2-7表示第二圆波导。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

以工作在Q频段的激励器为实施例对本发明作详细说明。本实施例的激励器的结构参见图1、2，主要包括：和标准矩形波导连接的输入端口1-1、和高频结构相连的输出端口2-1、第一一阶匹配阶梯波导1-3(与1-2匹配)、第二一阶匹配阶梯波导1-5(与1-4匹配)、第三一阶匹配阶梯波导2-2(与1-8匹配)、第一矩形波导1-2、第二矩形波导1-4、第三矩形波导1-8、耦合孔1-7、短路面1-6、圆柱形脊2-3、2-4(为了便于描述，本实施例中将等同于将圆柱的部分嵌入到第一圆形波导所形成的凸起(相对于第一圆形波导的内壁凸起)称之为圆柱形脊。在第一圆形波导的内壁对称加载的圆柱形脊2-3、2-4构成本发明的不同对称脊，其中2-4的直径大于2-3)、渐变圆波导2-6、第一圆波导2-5、第二圆形波导2-7。将图2所示的激励器分为两个部分(第一部分1、第二部分2)并分别给出它们的三维剖面图，如图3、图4所示。

如图3所示，第一部分1为模式激励器，包括输入端口1-1、第一矩形波导1-2、第一一阶匹配阶梯波导1-3、第二矩形波导1-4、第二一阶匹配阶梯波导1-5、短路面1-6、耦合孔1-7和三矩形波导1-8。从标准波导传输的模从输入端口1-1馈入至第一矩形波导1-2(标准矩形波导)，连接着第一矩形波导1-2的多级一阶匹配阶梯波导(1-3与1-5)和短路面1-6用来减小端口反射和提高模式纯度。通过两个连接的矩形波导(1-4与1-8)之间的耦合孔(1-7)在第三矩形波导(1-8)中磁耦合形成高阶的矩形TE₂₀模式。

如图4所示，第二部分2为模式激励器，包括输出端口2-1、第三一阶匹配阶梯波导2-2、对称分布的圆柱形脊2-3、对称分布的圆柱形脊2-4、第一圆波导2-5、渐变圆波导2-6、第二圆形波导2-7。在第一部分1的第三矩形波导1-8和第一圆波导2-5之间有一个一阶匹配阶梯波导(第三一阶匹配阶梯波导2-2)，用于减小反射。由矩形到圆波导的变换是为了由模式激励起模式。

图5和图6分别给出了本实施例加载和不加载对称圆柱形脊的输入端口1-1的反射参数S₁₁，工作模式及竞争模式的传输参数S₂₁，图中曲线表明：本发明加圆柱形脊时有极好的反射特性，工作模式很好的传输特性，对竞争模式有很强的抑制性，及较好的宽频特性。到的最大传输参数S₂₁接近0dB，且3dB带宽在46.0-51.4GHz，反射参数S₁₁在-10dB以下的带宽为46.2-50.4GHz内。模式纯度非常好，矩形TE₂₀到圆波导TE₂₁的转化在-25dB以下。未加载对称圆柱形脊时，最大传输参数S₂₁到和分别是-3dB和-5dB，频带在47-51GHz范围内。对比可知，加载圆柱形脊可以有效抑制竞争模式。

图7给出了本发明向更高阶模式激励器转化的示意图，通过调整耦合孔的个数，可以得到更高阶的矩形波导模式，例如耦合孔的数目分别调整为2、3、4、5时(当存在2个及以上的耦合孔时，各耦合孔呈平行排列)，则当输入时，(2个耦合孔)、(3个耦合孔)、(4个耦合孔)、(5个耦合孔)会由本结构的第一部分结构相应的被激励。同时，通过调整圆柱形脊的个数及分布方式，采用模拟仿真软件优化本发明各个构件的尺寸，高阶的波导模式可以相应地由本结构的第二部分被激励。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种模式激励器，其特征在于，第一矩形波导(1-2)的一端连接输入端口(1-1)，一端连接第一一阶匹配阶梯波导(1-3)；第二矩形波导(1-4)的一端连接第一一阶匹配阶梯波导(1-3)，一端连接第二一阶匹配阶梯波导(1-5)，第二一阶匹配阶梯波导(1-5)的另一端为短路面(1-6)；

第三矩形波导(1-8)的一端通过耦合孔(1-7)与第二矩形波导(1-4)的侧壁连接，一端连接第三一阶匹配阶梯波导(2-2)；第一圆形波导(2-5)的一端连接第三一阶匹配阶梯波导(2-2)，一端连接渐变圆形波导(2-6)；第二圆形波导(2-7)的一端连接渐变圆形波导(2-6)，一端连接输出端口(2-1)；

第一圆形波导(2-5)的内壁设置不同尺寸的对称脊，渐变圆形波导(2-6)的横截直径沿传播方向减小。

2.如权利要求1所述的模式激励器，其特征在于，所述对称脊的脊形状为：沿传播方向的横截面为弧形，垂直于传播方向的横截面为抛物线。

3.如权利要求1或2所述的模式激励器，其特征在于，当耦合孔(1-7)的个数大于1时，各耦合孔平行排列，且中心轴垂直于第三矩形波导(1-8)的中心轴。