CN106025453B

CN106025453B - 十字转门式移相器

Info

Publication number: CN106025453B
Application number: CN201610534925.3A
Authority: CN
Inventors: 袁成卫; 孙云飞; 张强; 冯加怀; 赵旭浩
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: CN106025453A

Abstract

本发明公开了一种十字转门式移相器，目的是提供结构紧凑、移相速度快、精度高、功率容量大的十字转门式移相器。本发明由加载弧形膜片圆极化器和十字形波导线‑圆极化器组成，加载弧形膜片圆极化器的谐振腔与十字形波导线‑圆极化器的第一圆波导对接；加载弧形膜片圆极化器由同轴波导、谐振腔、巴伦结构、金属膜片构成；十字形波导线‑圆极化器由一个十字形矩形波导、第一圆波导、第二圆波导、金属圆柱、金属半球构成。固定十字形线‑圆极化器不动，加载弧形膜片圆极化器绕自身轴线任意旋转，加载弧形膜片圆极化器旋转的角度即为TE₁₀模式的相移。本发明模式转换效率高，结构紧凑，移相效果好、速度快，可实现TE₁₀模式相位任意调节。

Description

十字转门式移相器

技术领域

本发明涉及高功率微波器件领域，具体涉及一种十字转门式移相器。

背景技术

高功率微波(High-Power-Microwave，缩写为HPM)一般是指频率在300MHz到300GHz、峰值功率大于100MW或平均功率大于1MW的强电磁辐射。高功率微波的应用多种多样，主要包括：高功率脉冲雷达，应用于宽频带下精确分辨目标；高能粒子射频加速器，应用于高能物理、核物理研究；基于电子回旋共振机制对受控热核等离子体进行加热及高功率微波武器等领域。

微波移相器是微波、毫米波技术领域中一种常见的器件，在雷达系统、通信系统、电子对抗系统等各个领域具有广泛的应用，微波移相器的优劣会对这些系统性能产生重要影响。常规低功率容量的移相器主要包括PIN二极管移相器以及加载介质式波导移相器等；PIN二极管移相器是利用二极管的正反向特性构成开关电路来实现移相；而加载介质式移相器是通过在波导内加入不同长度的介质，通过改变介质的长度而实现移相。现在技术中的大功率微波移相器是采用钇铁石榴石(YIG)等铁氧体材料，通过改变外加磁场或电场的幅度，改变铁氧体材料的传播常数，从而实现相位的调节。

然而，由于铁氧体材料是一种微波介质，其在真空中的击穿场强要比金属表面的击穿场强低2～3个数量级，而且在金属-真空-介质的三结合点处存在严重的场击穿问题，严重影响器件的功率容量。在高功率微波研究领域，由于其具有强电磁场的特点，所以现有技术中的大功率微波移相器无法真正在高功率微波领域应用。同时，由于铁氧体材料尺寸较大，因此，此类移相器通常体积庞大、重量较重。

因此，如何提供结构紧凑，体积小，重量轻，移相效果好，功率容量高的新型高功率微波可调移相器，一直是本领域研究的热点问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

提供一种十字转门移相器，其结构紧凑、容易实现，移相速度快、精度高，具有较高的功率容量，用于解决现有技术中高功率微波移相器尺寸大、功率容量低等问题。

本发明的技术方案是：

本发明由加载弧形膜片圆极化器和十字形波导线-圆极化器组成。加载弧形膜片圆极化器的谐振腔与十字形波导线-圆极化器的第一圆波导对接。

加载弧形膜片圆极化器由同轴波导、谐振腔、巴伦结构、金属膜片构成。同轴波导一端与微波源相连作为输入端口，另一端与谐振腔相连；谐振腔一端与同轴波导相连，另一端作为输出端口；巴伦结构一端固定在谐振腔的内壁上，另一端与同轴波导的内导体相连；金属膜片位于谐振腔内部。定义同轴波导、谐振腔、巴伦结构、金属膜片中靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端。同轴波导与谐振腔共轴。

同轴波导由外导体和内导体构成，均为金属材料制成。外导体为空心圆柱，其内半径为R0，长度为h0，厚度为d；内导体为实心圆柱，其半径为R1，长度为h0；内导体同轴嵌套于外导体内部，内导体的输出端与位于谐振腔内的巴伦结构相连；同轴波导的输入端(即外导体和内导体之间的环)与微波源相连，外导体的输出端与谐振腔的输入端相连。

谐振腔为空心圆柱，采用金属材料制成。谐振腔的内半径为R2，长度为h1，壁厚为d；谐振腔的输入端与外导体相连，输出端即为加载弧形膜片圆极化器的输出端。

巴伦结构位于谐振腔内部，采用金属材料制成。巴伦结构的外形类似鸭蹼状，具体结构由德国CST公司开发的电磁仿真软件CST Microwave Studio按照同轴波导TEM模式到圆波导TE₁₁模式转换效率高于99.5％的目标仿真获得。它的输入端与内导体的输出端相连，且输入端的半径为R1。巴伦结构的输出端固定在谐振腔的内壁上，巴伦点是距离同轴波导输出端轴向距离最大的点，巴伦点距离同轴波导输出端的轴向距离为z。

金属膜片有3排，结构完全相同，也由金属材料制成，每排金属膜片由2个形状相同位置相对的弧形膜片构成，弧形膜片的宽度为a，厚度为c，圆弧的半径为R3，圆弧的圆心距离BB’平面(BB’平面为谐振腔沿轴线方向的竖直中垂面)与CC’平面(CC’平面经过谐振腔的轴线且与BB’平面垂直)的距离均为s，2个弧形膜片关于AA’平面(AA’平面经过谐振腔的轴线且与BB’平面及CC’平面的夹角均为45°)对称。3排金属膜片按照从输入端到输出端的方向，依次为第一金属膜片，第二金属膜片，第三金属膜片。其中第一金属膜片距离巴伦点的轴向中心距为z1，第一金属膜片与第三金属膜片的轴向中心距为b，相邻两组金属膜片的轴向中心距为b/2，弧形膜片的两端焊接在谐振腔的内壁上。

十字形波导线-圆极化器由一个十字形矩形波导、第一圆波导、第二圆波导、金属圆柱、金属半球构成。十字形矩形波导是由两个截面尺寸相同的矩形波导正交构成，可以认为十字形矩形波导有四个矩形波导臂，分别记作第一矩形波导臂、第二矩形波导臂、第三矩形波导臂、第四矩形波导臂。其中第一矩形波导臂和第四矩形波导臂端面为开放结构，第一矩形波导臂的末端作为十字转门移相器的输出端口，第四矩形波导臂的末端作为十字转门移相器的隔离端口，将未从第一矩形波导臂输出的微波辐射出来。第二矩形波导臂和第三矩形波导臂为封闭结构。十字形矩形波导俯视面为第一E面，相对的一面为第二E面，第一E面与第一圆波导垂直相接，且第一圆波导贯穿第一E面的波导壁；第二E面与第二圆波导垂直相接，且第二圆波导贯穿第二E面的波导壁。第一圆波导和第二圆波导共轴线，其轴线通过十字形矩形波导的交叉中心。第一圆波导远离十字形矩形波导第一E面一端为开放结构，加载弧形膜片圆极化器输出的圆极化微波从该端口进入到十字形波导线-圆极化器内，第二圆波导远离十字形矩形波导第二E面的一端为封闭结构。金属圆柱同轴嵌套于第二圆波导内部，其一端固定在第二圆波导的封闭端，另一端伸入到十字形矩形波导内部。在金属圆柱伸入到十字形矩形波导的一端与金属半球相连接，金属半球的球心在金属圆柱的轴线上。

十字形矩形波导由金属材料制成，其截面的宽边长度为L_a，窄边长度为L_b，矩形波导壁厚度为d。以十字形矩形波导的交叉中心为坐标原点建立坐标系，则第一矩形波导臂末端到坐标原点的长度为l1，第二矩形波导臂末端到坐标原点的长度为l2，第三矩形波导臂末端到坐标原点的长度为l3，第四矩形波导臂末端到坐标原点的长度为l4。

第一圆波导为空心圆柱，采用金属材料制成。它的内半径与加载弧形膜片圆极化器中谐振器的内半径相等，也为R2，它的长度为h2。第二圆波导也为空心圆柱，采用金属材料制成。它的内半径为R4，长度为h3。第一圆波导与第二圆波导的壁厚均为d，且第二圆波导封闭端的金属厚度也为d。

金属圆柱的半径为R5，长度为h4，金属圆柱伸入到十字形矩形波导的一端与金属半球相连接。金属半球是实心的，金属半球的球心位于金属圆柱的轴线上，金属半球的半径为R6。

第一圆波导与第一E面的连接处以及第二圆波导与第二E面的连接处进行倒圆角处理，倒角半径为r1。四个矩形波导臂的连接处也进行倒圆角处理，倒角半径为r2。

为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：

1、同轴波导的参数R0、R1需满足同轴波导中只存在TEM模式的条件，即λ₀＞π*(R0+R1)，λ₀为输入微波在自由空间波长。且R0＞R1＞0，h0＞0。

2、谐振腔的参数需满足R2＞R0，h1＞b+z1+z+a，b＞0，z1＞0，z＞0，a＞0。且需满足谐振腔输出端只输出圆波导TE₁₁模式的条件，即λ₀/2.61＞R2＞λ₀/3.41。

3、巴伦结构的参数z需满足巴伦结构可以将同轴波导TEM模式高效率转换为圆波导线极化TE₁₁模式的条件，且z＞0，参数的具体值通过电磁仿真软件CST Microwave Studio得到。

4、弧形膜片的参数a、c、R3、b、s，需满足微波在输出端口传输效率大于99％，且输出的TE₁₁模式的两个极化分量的幅值相等，相位差为90°。且有a＞0，c＞0，R3＞R2＞0，b＞0，s＞0。

5、矩形波导的参数需满足矩形波导内TE₁₀模单模传输条件，即λ₀＞2*L_a，且L_a＞L_b＞0。

6、第二圆波导与金属圆柱以及金属半球的参数需满足R2＞R4＞R5，R6≥R5，h2＞0，h3+L_b＞h4＞h3，倒角半径0＜r2＜r1。

7、第二矩形波导臂的参数l2与第三矩形波导臂的参数l3需满足十字形波导圆极化器的圆极化条件，即l2-l3＝N*λ_g/4，l3-R5＝N*λ_g/8，N为1、3、5、7…，λ_g为十字形矩形波导内的波导波长。

通过电磁仿真软件CST Microwave Studio，在满足h0＞0，h1＞b+z1+z+a，h2＞0，h3+L_b＞h4＞h3，λ₀＞max(π*(R0+R1),2*L_a)，L_a＞L_b＞0，R2＞R4＞R5，R6≥R5，R3＞R2＞R0＞R1＞0，λ₀/2.61＞R2＞λ₀/3.41，0＜r2＜r1，l2-l3＝N*λ_g/4，l3-R5＝N*λ_g/8，N为1、3、5、7…，a＞0，b＞0，c＞0，z1＞0，z＞0，s＞0的条件下，首先设定微波传输至模式转换器的谐振腔输出端效率大于99％，且输出的TE₁₁模式的两个极化分量的幅值相等，相位差为90°，可以获得参数h0、h1、R0、R1、R2、R3、a、b、c、z、z1、s的精确值；其次设定微波从十字形波导线-圆极化器的第一矩形波导臂输入，从第二圆波导输出且传输效率大于99％，另外输出的TE₁₁模式的两个极化分量的幅值相等，相位差为90°，可以获得参数h2、h3、h4、R4、R5、R6、l1、l2、l3、l4、L_a、L_b、r2、r1的精确值，d一般取3-5mm。

本发明的工作过程为：本发明可以实现同轴波导TEM模式到矩形波导TE₁₀模式的转换，且可以实现TE₁₀模式0～360°的任意线性相移。为了清楚简单地介绍该移相器的工作过程，需分别介绍加载弧形膜片圆极化器与十字形波导线-圆极化器的工作过程，具体为：加载弧形膜片圆极化器以TEM模式从同轴波导输入微波，同轴波导将TEM模式微波输入到谐振腔内，利用巴伦结构特殊的场分布，微波经过巴伦结构后，实现同轴波导TEM模式到圆波导线极化TE₁₁模式的转换(TE₁₁模式电场的极化方向沿BB’方向)。圆波导线极化的TE₁₁模式继续向前传播至金属膜片，由于金属膜片的对称平面AA’与BB’平面的夹角为45°，圆波导线极化的TE₁₁模式经过金属膜片时分解为与金属膜片平行极化的电场分量和与金属膜片垂直极化的电场分量，两个电场分量的幅值相等。由于金属膜片对与其垂直极化的电场分量的相移常数影响较小，而对与其平行极化的电场分量的相移常数影响较大，因此两个极化方向的电场分量经过一定宽度的金属膜片后，其相位差发生改变，选择合适的金属膜片宽度使输出的TE₁₁模式的两个极化分量的相位差为90°。金属膜片采用弧形膜片可以控制与金属膜片垂直极化的电场分量的反射在较低的水平，三排金属膜片可以有效地消除与金属膜片平行极化的电场分量的反射，增加输出端口圆极化TE₁₁的传输效率。圆波导线极化的TE₁₁模式经过三排金属膜片后转变为圆波导圆极化的TE₁₁模式，并由谐振腔的输出端口输出。

十字形波导线-圆极化器以TE₁₀模式从第一矩形波导臂注入微波，TE₁₀模式微波进入到十字形矩形波导内部，当金属圆柱和金属半球的参数合适时，微波被分成两部分，其一半能量直接进入到第一圆波导内并转变为圆波导的TE₁₁模式，其极化方向沿y方向，记作TE_11y；另外一半能量被均分，一份进入到第二矩形波导臂内，一份进入到第三矩形波导臂内，由于这两个矩形波导臂的末端封闭，因此微波会被全反射，并再次返回到金属圆柱处，当第二矩形波导臂的长度与第一矩形波导臂的长度相差N*λ_g/4时，N为1、3、5、7…，两份微波返回到金属圆柱处时相位相差π的奇数倍，合成后会进入到第一圆波导内并转变为圆波导的TE₁₁模，其极化方向沿x方向，记作TE_11x，TE_11x与TE₁₁y(极化方向沿y方向的TE₁₁模)的幅值相等；当第二矩形波导臂的长度与金属圆柱的半径相差N*λ_g/8时，N为1、3、5、7…，TE_11x与TE_11y的相位会相差π/2的奇数倍，此时第一圆波导输出的微波为圆极化的TE₁₁模式。理想情况下，第四矩形波导臂的末端不会有微波输出，但是由于线-圆极化器有一定的工作带宽，因此在偏离中心频率处会有少部分微波泄露，但不会超过1％。在具体应用时，可以在第四矩形波导臂末端加入喇叭天线将泄露的微波辐射出去，也可以加入紧凑型匹配负载吸收这部分微波。

将加载弧形膜片圆极化器的谐振腔和十字形波导线-圆极化器的第一圆波导对接在一起，即构成了十字转门移相器，此时微波以TEM模式从加载弧形膜片圆极化器的同轴波导输入，以TE₁₀模式从十字形波导线-圆极化器的第一矩形波导臂输出，固定十字形波导线-圆极化器不动，而加载弧形膜片圆极化器绕自身轴线任意旋转，即可实现TE₁₀模式相位的任意调节。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明加载弧形膜片圆极化器以及十字形波导线-圆极化器的模式转换效率高，TEM-TE₁₁，TE₁₀-TE₁₁的模式转换效率均超过99.5％，这两个转换效率影响整个移相器的传输效率，十字转门式移相器在中心频率处的传输效率超过99％。本发明结构紧凑，尺寸较小，移相效果好、速度快且为线性移相(加载弧形膜片圆极化器绕轴线旋转的角度就是矩形波导TE₁₀模式的相移)，可实现TE₁₀模式相位任意调节。由于该结构中所有材质均为金属，并不涉及介质，可以实现较高的功率容量。

附图说明

图1是本发明十字转门移相器的结构示意图。

图2是图1中十字转门移相器沿MM’平面的剖视示意图。

图3是本发明中加载弧形膜片圆极化器结构示意图。

图4是图3沿AA’平面的剖视图。

图5是图3沿BB’平面的剖视图。

图6是图3的左视图。

图7是图3中巴伦结构的结构示意图。

图8是图3第一金属膜片的结构示意图。

图9是本发明中十字形波导线-圆极化器的结构示意图。

图10是图9沿NN’平面的剖视示意图。

图11是图9的俯视示意图。

图12是本发明实施例传输效率与频率的关系曲线。

图13是本发明在中心频率处的移相效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明十字转门移相器的结构示意图，图2是图1中十字转门移相器沿MM’平面的剖视示意图。如图所示，十字转门移相器由两大部分组成，分别为加载弧形膜片圆极化器1和十字形波导线-圆极化器2，在具体实施过程中，固定十字形波导线-圆极化器2不动，而加载弧形膜片圆极化器1可以绕自身轴线任意旋转，加载弧形膜片圆极化器1旋转的角度即为TE₁₀模式的相移。

图3是本发明中加载弧形膜片圆极化器1的结构示意图；如图所示，加载弧形膜片圆极化器由同轴波导11、谐振腔12、巴伦结构13、金属膜片14组成。同轴波导11与谐振腔12相连；巴伦结构13一端固定在谐振腔12的内壁上，另一端与同轴波导11的内导体112相连；金属膜片14位于谐振腔12的内部，并固定在谐振腔12的内壁上。定义同轴波导11、谐振腔12、巴伦结构13、金属膜片14中靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端。同轴波导11与谐振腔12同轴。

图4是图3沿AA’平面的剖视图，图5是图3沿BB’平面的剖视图，图7是图3中巴伦结构的结构示意图；如图4、图5、图7所示，同轴波导11由外导体111、内导体112组成。外导体111的半径为R0，长度为h0，厚度为d；内导体112的半径为R1，长度也为h0。内导体112同轴嵌套于外导体111内部，并与巴伦结构13相连，巴伦结构13的末端焊接在谐振腔12的内壁上。同轴波导11两端开口，一端为微波的输入端口，外导体111的输出端与谐振腔12同轴连接。

谐振腔12的内半径为R2，长度为h1，谐振腔12的壁厚为d，由金属制成；谐振腔12的输入端与外导体111的输出端同轴连接，谐振腔12的输出端为本发明的输出端口。

巴伦结构13为鸭蹼状金属结构，巴伦结构13的输入端与内导体112的输出端相连，且与内导体112的半径相等均为R1。巴伦结构13的输出端固定在谐振腔12的内壁上，巴伦点距离同轴波导11输出端的轴向距离为z。

图6是本发明中加载弧形膜片圆极化器1的左视图，图8是图3中第一金属膜片的结构示意图；如图5、图6、图8所示，金属膜片14均由金属制成，金属膜片14按照从输入端到输出端的方向，依次为第一金属膜片141，第二金属膜片142，第三金属膜片143。第一金属膜片141由2个弧形膜片构成，弧形膜片的宽度为a，厚度为c，圆弧的半径为R3，圆弧的圆心距离BB’平面(BB’平面为巴伦结构沿轴向的中垂面)与CC’平面(CC’平面经过谐振腔的轴线且与BB’平面垂直)的距离均为s，2个弧形膜片关于AA’平面(AA’平面经过谐振腔的轴线且与BB’平面及CC’平面的夹角均为45°)对称。第一金属膜片141距离巴伦点的轴向中心距为z1，第一金属膜片141与第三金属膜片143的轴向中心距为b，相邻两组金属膜片的轴向中心距为b/2。

图9是本发明中十字形波导线-圆极化器2的结构示意图，图10是图8沿NN’平面的剖视示意图，图11是图8的俯视示意图；如图所示，十字形波导线-圆极化器2由一个十字形矩形波导21、第一圆波导23、第二圆波导22、金属圆柱24、金属半球25构成。可以认为十字形矩形波导21有四个矩形波导臂，分别记作第一矩形波导臂211、第二矩形波导臂212、第三矩形波导臂213、第四矩形波导臂214。其中第一矩形波导臂211和第四矩形波导臂214端面为开放结构，第一矩形波导臂211的末端作为十字转门移相器的输出端口，第四矩形波导臂214的末端作为十字转门移相器的隔离端口，将未从第一矩形波导臂输出的微波辐射出来。第二矩形波导臂212和第三矩形波导臂213为封闭结构。十字形矩形波导21的俯视面为第一E面215，相对的一面为第二E面216，第一E面215与第一圆波导23垂直相接，且第一圆波导23贯穿第一E面215的波导壁；第二E面216与第二圆波导22垂直相接，且第二圆波导22贯穿第二E面216的波导壁。第一圆波导23和第二圆波导22共轴线，其轴线通过十字形矩形波导21的交叉中心。第一圆波导23远离十字形矩形波导21第一E面一端为开放结构，加载弧形膜片圆极化器1输出的圆极化微波从该端口进入到十字形波导线-圆极化器2内，第二圆波导22远离十字形矩形波导21第二E面的一端为封闭结构。金属圆柱24同轴嵌套于第二圆波导22内部，其一端固定在第二圆波导22的封闭端，另一端伸入到十字形矩形波导21内部。在其伸入到十字形矩形波导21的一端与金属半球25相连接，金属半球25的球心在金属圆柱24的轴线上。

十字形矩形波导21由金属材料制成，其截面的宽边长度为L_a，窄边长度为L_b，矩形波导壁厚度为d。以十字形矩形波导21的交叉中心为坐标原点建立坐标系，则第一矩形波导臂211末端到坐标原点的长度为l1，第二矩形波导臂212末端到坐标原点的长度为l2，第三矩形波导臂213末端到坐标原点的长度为l3，第四矩形波导臂214末端到坐标原点的长度为l4。

第一圆波导23为空心圆柱，采用金属材料制成。它的内半径与加载弧形膜片圆极化器1中谐振腔12的内半径相等，也为R2，它的长度为h2。第二圆波导22也为空心圆柱，采用金属材料制成。它的内半径为R4，长度为h3。第一圆波导23与第二圆波导22的壁厚均为d，且第二圆波导22封闭端的金属厚度也为d。

金属圆柱24的半径为R5，长度为h4，在其伸入到十字形矩形波导21的一端与金属半球25相连接，金属半球25的球心位于金属圆柱的轴线上，金属半球25的半径为R6。

第一圆波导23与第一E面的连接处以及第二圆波导22与第二E面的连接处进行倒圆角处理，倒角半径为r1。四个矩形波导臂的连接处也进行倒圆角处理，倒角半径为r2。

下面给出用于1.575GHz(即输入微波源的频率为1.575GHz，)的十字转门移相器的实施例具体设计尺寸：

外导体111的半径R0＝40mm，长度h0＝50mm；内导体112的半径R1＝15mm，长度h0＝50mm；谐振腔12的半径R2＝65mm，长度h1＝320mm；巴伦点距离同轴波导11输出端的距离z＝80mm。弧形膜片的宽度a＝19mm，厚度c＝3mm，圆弧的半径为R3＝75mm，圆弧的圆心距离BB’平面与CC’平面的距离s＝14.1mm，第一金属膜片141距离巴伦点的轴向中心距z1＝20mm，相邻两排金属膜片的轴向中心距b/2＝94mm。外导体111与谐振腔12的厚度d＝5mm。十字形矩形波导21截面尺寸为L_a×L_b＝129.6mm×61mm，第一矩形波导臂211末端到坐标原点的长度l1＝150mm，第二矩形波导臂212末端到坐标原点的长度l2＝128.9mm，第三矩形波导臂213末端到坐标原点的长度l3＝198.9mm，第四矩形波导臂214末端到坐标原点的长度l4＝150mm。第一圆波导23的内半径R2＝65mm，长度h2＝80mm。第二圆波导22的内半径R4＝61.5mm，长度h3＝130mm。金属圆柱24的半径R5＝23mm，长度h4＝154mm，金属半球25的半径R6＝23mm。第一圆波导23及第二圆波导22与十字形矩形波导21连接处的倒角半径r1＝10mm。四个矩形波导臂的连接处也进行倒圆角处理，倒角半径为r2＝8mm。所有波导壁的厚度d＝5mm。

根据上述参数所设计的频率为1.575GHz的移相器的移相效果见图12与图13，其中图12是本发明传输效率与频率的关系曲线。其中横坐标是频率，纵坐标是传输效率η。在中心频率1.575GHz处，本发明的传输效率大于99.5％。图13为本发明十字转门移相器相位变化随扭转角度仿真图。其中横坐标是加载弧形膜片圆极化器的旋转角度，纵坐标是十字转门式移相器输出微波的相移。通过转动加载弧形膜片圆极化器角度a，0≤a≤360，可以调节移相器输出端口输出TE₁₀模式微波相位a度。

由上述结果可知，本发明这种实施方式能够对高功率微波进行精确调节相位，具有传输效率高，功率容量大，输出相位在0～360度连续可调等特点。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化及变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种十字转门式移相器，其特征在于十字转门式移相器由加载弧形膜片圆极化器(1)和十字形波导线-圆极化器(2)组成，加载弧形膜片圆极化器(1)的谐振腔(12)与十字形波导线-圆极化器(2)的第一圆波导(23)对接；固定十字形波导线-圆极化器(2)不动，加载弧形膜片圆极化器(1)绕自身轴线任意旋转，加载弧形膜片圆极化器(1)旋转的角度即为TE₁₀模式的相移；

加载弧形膜片圆极化器(1)由同轴波导(11)、谐振腔(12)、巴伦结构(13)、金属膜片(14)构成；同轴波导(11)一端与微波源相连作为输入端口，另一端与谐振腔(12)相连；谐振腔(12)一端与同轴波导(11)相连，另一端作为输出端口；巴伦结构(13)一端固定在谐振腔(12)的内壁上，另一端与同轴波导(11)的内导体(112)相连；金属膜片(14)位于谐振腔(12)内部；定义同轴波导(11)、谐振腔(12)、巴伦结构(13)、金属膜片(14)中靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端；同轴波导(11)与谐振腔(12)共轴；

同轴波导(11)由外导体(111)和内导体(112)构成，均为金属材料制成；外导体(111)为空心圆柱，其内半径为R0，长度为h0，厚度为d；内导体(112)为实心圆柱，其半径为R1，长度为h0；内导体(112)同轴嵌套于外导体(111)内部，内导体(112)的输出端与位于谐振腔(12)内的巴伦结构(13)相连；同轴波导(11)的输入端与微波源相连，外导体(111)的输出端与谐振腔(12)的输入端相连；

谐振腔(12)为空心圆柱，采用金属材料制成；谐振腔(12)的内半径为R2，长度为h1，壁厚为d；谐振腔(12)的输入端与外导体(111)相连，输出端即为加载弧形膜片圆极化器(1)的输出端；

巴伦结构(13)位于谐振腔(12)内部，采用金属材料制成；巴伦结构(13)的外形类似鸭蹼状，具体结构按照同轴波导(11)TEM模式到圆波导TE₁₁模式转换效率高于99.5％的目标仿真获得；巴伦结构(13)的输入端与内导体(112)的输出端相连，且输入端的半径为R1，巴伦结构(13)的输出端固定在谐振腔(12)的内壁上，巴伦点是距离同轴波导(11)输出端轴向距离最大的点，巴伦点距离同轴波导(11)输出端的轴向距离为z；

金属膜片(14)有3排，结构完全相同，也由金属材料制成，每排金属膜片(14)由2个形状相同位置相对的弧形膜片构成，弧形膜片的宽度为a，厚度为c，圆弧的半径为R3，圆弧的圆心距离BB’平面与CC’平面的距离均为s，2个弧形膜片关于AA’平面对称BB’平面为谐振腔(12)沿轴线方向的竖直中垂面，CC’平面经过谐振腔(12)的轴线且与BB’平面垂直，AA’平面经过谐振腔(12)的轴线且与BB’平面及CC’平面的夹角均为45°；3排金属膜片(14)按照从输入端到输出端的方向，依次为第一金属膜片(141)，第二金属膜片(142)，第三金属膜片(143)；其中第一金属膜片(141)距离巴伦点的轴向中心距为z1，第一金属膜片(141)与第三金属膜片(143)的轴向中心距为b，相邻两组金属膜片(14)的轴向中心距为b/2，弧形膜片的两端焊接在谐振腔(12)的内壁上；

十字形波导线-圆极化器(2)由一个十字形矩形波导(21)、第一圆波导(23)、第二圆波导(22)、金属圆柱(24)、金属半球(25)构成；十字形矩形波导(21)是由两个截面尺寸相同的矩形波导正交构成，有四个矩形波导臂，分别记作第一矩形波导臂(211)、第二矩形波导臂(212)、第三矩形波导臂(213)、第四矩形波导臂(214)；其中第一矩形波导臂(211)和第四矩形波导臂(214)端面为开放结构，第一矩形波导臂(211)的末端作为十字转门移相器的输出端口，第四矩形波导臂(214)的末端作为十字转门移相器的隔离端口，将未从第一矩形波导臂(211)输出的微波辐射出来；第二矩形波导臂(212)和第三矩形波导臂(213)为封闭结构；十字形矩形波导(21)俯视面为第一E面(215)，相对的一面为第二E面(216)，第一E面(215)与第一圆波导(23)垂直相接，且第一圆波导(23)贯穿第一E面(215)的波导壁；第二E面(216)与第二圆波导(22)垂直相接，且第二圆波导(22)贯穿第二E面(216)的波导壁；第一圆波导(23)和第二圆波导(22)共轴线，其轴线通过十字形矩形波导(21)的交叉中心；第一圆波导(23)远离十字形矩形波导(21)第一E面(215)一端为开放结构，加载弧形膜片圆极化器(1)输出的圆极化微波从该端口进入到十字形波导线-圆极化器(2)内，第二圆波导(22)远离十字形矩形波导(21)第二E面(216)的一端为封闭结构；金属圆柱(24)同轴嵌套于第二圆波导(22)内部，其一端固定在第二圆波导(22)的封闭端，另一端伸入到十字形矩形波导(21)内部；在金属圆柱(24)伸入到十字形矩形波导(21)的一端与金属半球(25)相连接，金属半球(25)的球心在金属圆柱(24)的轴线上；

十字形矩形波导(21)由金属材料制成，其截面的宽边长度为L_a，窄边长度为L_b，矩形波导壁厚度为d；以十字形矩形波导(21)的交叉中心为坐标原点建立坐标系，则第一矩形波导臂(211)末端到坐标原点的长度为l1，第二矩形波导臂(212)末端到坐标原点的长度为l2，第三矩形波导臂(213)末端到坐标原点的长度为l3，第四矩形波导臂(214)末端到坐标原点的长度为l4；

第一圆波导(23)为空心圆柱，采用金属材料制成；它的内半径与加载弧形膜片圆极化器(1)中谐振器的内半径相等，也为R2，它的长度为h2；第二圆波导(22)也为空心圆柱，采用金属材料制成；它的内半径为R4，长度为h3；第一圆波导(23)与第二圆波导(22)的壁厚均为d，且第二圆波导(22)封闭端的金属厚度也为d；

金属圆柱(24)的半径为R5，长度为h4，金属圆柱(24)伸入到十字形矩形波导(21)的一端与金属半球(25)相连接；金属半球(25)是实心的，金属半球(25)的球心位于金属圆柱(24)的轴线上，金属半球(25)的半径为R6。

2.如权利要求1所述的十字转门式移相器，其特征在于

同轴波导(11)的参数R0、R1、h0满足R0＞R1＞0，且λ₀＞π*(R0+R1)，h0＞0，λ₀为输入微波在自由空间波长；

谐振腔(12)和弧形膜片的参数满足R2＞R0且λ₀/2.61＞R2＞λ₀/3.41，h1＞b+z1+z+a，R3＞R2＞0，b＞0，z1＞0，z＞0，a＞0，s＞0，c＞0；且参数a、c、R3、b、s满足微波在输出端口传输效率大于99％，且输出的TE₁₁模式的两个极化分量的幅值相等，相位差为90°；

巴伦结构(13)的参数z＞0且满足巴伦结构(13)可以将同轴波导(11)TEM模式高效率转换为圆波导线极化TE₁₁模式的条件；

十字形矩形波导(21)的参数满足λ₀＞2*L_a，且L_a＞L_b＞0；

第二圆波导(22)与金属圆柱(24)以及金属半球(25)的参数满足R2＞R4＞R5，R6≥R5，h2＞0，h3+L_b＞h4＞h3；

第二矩形波导臂(212)的参数l2与第三矩形波导臂(213)的参数l3满足l2-l3＝N*λ_g/4，l3-R5＝N*λ_g/8，N为1、3、5、7…，λ_g为十字形矩形波导(21)内的波导波长。

3.如权利要求1所述的十字转门式移相器，其特征在于第一圆波导(23)与第一E面(215)的连接处以及第二圆波导(22)与第二E面(216)的连接处进行倒圆角处理，倒角半径为r1；四个矩形波导臂的连接处也进行倒圆角处理，倒角半径为r2。

4.如权利要求3所述的十字转门式移相器，其特征在于倒角半径0＜r2＜r1。

5.如权利要求1或3所述的十字转门式移相器，其特征在于通过电磁仿真，在满足h0＞0，h1＞b+z1+z+a，h2＞0，h3+L_b＞h4＞h3，λ₀＞max(π*(R0+R1),2*L_a)，L_a＞L_b＞0，R2＞R4＞R5，R6≥R5，R3＞R2＞R0＞R1＞0，λ₀/2.61＞R2＞λ₀/3.41，0＜r2＜r1，l2-l3＝N*λ_g/4，l3-R5＝N*λ_g/8，N为1、3、5、7…，a＞0，b＞0，c＞0，z1＞0，z＞0，s＞0的条件下，首先设定微波传输至模式转换器的谐振腔(12)输出端效率大于99％，且输出的TE₁₁模式的两个极化分量的幅值相等，相位差为90°，获得参数h0、h1、R0、R1、R2、R3、a、b、c、z、z1、s的精确值；其次设定微波从十字形线-圆极化器(2)的第一矩形波导臂(211)输入，从第二圆波导(22)输出且传输效率大于99％，另外输出的TE₁₁模式的两个极化分量的幅值相等，相位差为90°，获得参数h2、h3、h4、R4、R5、R6、l1、l2、l3、l4、L_a、L_b、r2、r1的精确值，d取3-5mm。

6.如权利要求1所述的十字转门式移相器，其特征在于采用仿真软件CST MicrowaveStudio进行电磁仿真获得巴伦结构(13)的具体结构。

7.如权利要求5所述的十字转门式移相器，其特征在于所述电磁仿真采用的软件为CSTMicrowave Studio。