CN107026299B

CN107026299B - 过模圆波导tm01模转弯结构

Info

Publication number: CN107026299B
Application number: CN201710159480.XA
Authority: CN
Inventors: 李相强; 李晓孟; 刘庆想; 张健穹
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: CN107026299A

Abstract

本发明涉及微波传输技术领域，本发明公开了一种过模圆波导TM₀₁模转弯结构，包括依次相连的输入圆波导、同轴波导、和输出圆波导，所述输入圆波导、输出圆波导和同轴波导外导体由半径相同的导管构成，所述输入圆波导和输出圆波导与同轴波导同轴，所述同轴波导内导体径向均匀分布有导体插板，所述导体插板与同轴波导内导体和外导体相连，所述导体插板长度＜同轴波导内导体长度，所述同轴波导内导体两端分别伸入输入圆波导和输出圆波导，所述同轴波导以R为转弯半径弯曲θ°；R≥圆波导外径，0°＜θ＜180°。本发明的有益效果是，结构紧凑，传输效率高，功率容量高，适用于高功率微波的转弯传输。

Description

过模圆波导TM01模转弯结构

技术领域

本发明涉及微波传输技术领域，特别是高功率微波传输技术领域，具体涉及一种高功率容量过模圆波导TM₀₁模转弯结构。

背景技术

随着微波技术的发展，携带更高能量微波的应用日渐增多，并且这种趋势一直在往更高功率发展。通常微波功率达到kW级别就可以称为大功率了，达到MW或GW级别一般就称为高功率了。为了满足高功率微波在传输系统中的传输要求，馈线中的各部分结构都应具有更高的功率容量，与此同时，高功率微波系统的小型化发展趋势又要求传输系统具有更小的尺寸，因此，如何在更小的尺寸要求下实现高效率、高功率容量的微波传输是应用中亟需解决的困难。微波传输中的转弯结构是微波传输系统的重要组成部分，但是由于转弯结构的存在，转弯部分通常无法同时满足高功率容量和小转弯半径的要求。圆波导TM₀₁模是高功率微波源的常用输出模式，由于特定的系统要求，圆波导TM₀₁模的传输往往需要用到转弯结构。

由于同轴TEM模和圆波导TM₀₁模的角向对称性，使二者有着很好的转化关系，因此同轴TEM 模也可用来实现圆波导TM₀₁模的转弯。对于波导转弯传输，国内外有以下的研究：

(1)圆波导TM₀₁转弯

有学者提出通过选择合适的圆波导半径a，转弯半径R及转弯角度θ使输出口TE₁₁模的幅值近似为0，就可以设计出高效率传输TM₀₁模圆转弯波导10[袁成卫，钟辉煌，钱宝良.高功率微波转弯圆波导设计[J].强激光与粒子束，2009,21(2)：255-258]，圆转弯波导10结构示意图1所示，可以看成是一根弯曲的金属导管。该模型在工作频率10GHz，中心频点模式传输效率为99.7％时，实现90°转弯所需半径为530mm，转弯半径很大。

学者丁艳锋等提出了采用过模圆波导在转弯之前转换为半圆波导，利用半圆波导单模转弯，并最终合成为圆波导TM₀₁模的结构[丁艳峰,刘庆想,张健穹.过模圆转弯波导的设计与实验[J].强激光与粒束,2011,08:2135-2140]。在转弯部分该模型必须要满足半圆波导的单模传输条件，因此模型的功率容量也无法进一步提升，且频率越高，功率容量的上限也就越低。

(2)同轴转弯波导

学者刘庆想教授，张健穹博士等提出了在同轴波导转弯处采用单模波导的形式实现同轴波导转弯[张健穹，刘庆想，赵柳，李相强.同轴转弯波导的设计与实验研究[J].强激光与粒子束，2010,22(5)：1085-1088]，该模型在转弯处使用同轴TEM的单模传输，限制了模型尺寸的同时限制了模型的功率容量。

学者Jan Van Hese,Daniel De Zutter设计了一种方同轴转弯波导[Jan VanHese,Daniel De Zutter.Modeling of Discontinuities in General CoaxialWaveguide Structures by the FDTD-Method[J].IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques.1995,43(3):582-59]，该模型的单模传输条件限制了转弯部分同轴波导的大小，因此其功率容量也就相对较小。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明提出了一种高功率容量过模圆波导TM₀₁模转弯结构，能够降低转弯半径，提高功率容量，适用于高功率微波的转弯传输。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，过模圆波导TM₀₁模转弯结构，包括依次相连的输入圆波导、同轴波导、和输出圆波导，所述输入圆波导、输出圆波导和同轴波导外导体由半径相同的导管构成，所述输入圆波导和输出圆波导与同轴波导同轴，所述同轴波导内导体径向均匀分布有导体插板，所述导体插板与同轴波导内导体和外导体相连，所述导体插板长度＜同轴波导内导体长度，所述同轴波导内导体两端分别伸入输入圆波导和输出圆波导，所述同轴波导以R为转弯半径弯曲θ°；R≥圆波导外径，0°＜θ＜180°。

进一步的，所述导体插板设置在弯角内，两端分别伸入输入圆波导和输出圆波导，所述θ角的角平分线过同轴波导内导体的中点。

具体的，θ＝90°。

进一步的，至少有一张导体插板与转弯半径共面。

具体的，所述导体插板有2张与转弯半径共面。

进一步的，所述导体插板有4n张，n为非零自然数。

具体的，n＝1。

更具体的，所述过模圆波导TM₀₁模转弯结构工作频率为8.4GHz，输入圆波导半径为28mm，转弯半径R＝38mm，θ＝90°，同轴波导内导体半径为13mm，导体插板厚度2mm，同轴波导内导体超出导体插板21mm。

本发明的有益效果是，结构紧凑，传输效率高，功率容量高，适用于高功率微波的转弯传输。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。附图中：

图1为现有技术圆波导转弯结构示意图。

图2为实施例的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为实施例转弯结构TM₀₁模反射特性曲线和传输特性曲线示意图；

其中：S为反射特性曲线；T为传输特性曲线。

图5为实施例的波导转换示意图；

其中：图5-1为输入圆波导处传输模式在横截面上的电场分布示意图，图5-2为圆波导- 同轴波导转换处传输模式在横截面上的电场分布示意图，图5-3为同轴波导-扇形波导转换处传输模式在横截面上的电场分布示意图，图5-4微波传输至θ/2处传输模式在横截面上的电场分布示意图，图5-5为扇形波导-同轴波导转换处传输模式在横截面上的电场分布示意图，图5-6为同轴波导-圆波导转换处传输模式在横截面上的电场分布示意图，图5-7为输出圆波导处传输模式在横截面上的电场分布布示意图。

图6为8片导体插板(即n＝2)的转弯结构剖视图。

图7为3片导体插板的转弯结构剖视图。

图8为6片导体插板的转弯结构剖视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明属于微波传输技术领域，其中涉及的术语波导是一种用来约束或引导电磁波的结构，通常由金属构成，常用于传输电磁波。圆波导是一种空心导管，横截面为圆形。同轴波导是在圆波导轴线上设置一根导体(称为同轴波导的内导体)构成。扇形波导则是横截面为扇形的导管。这几种波导传输的电磁波被限制在导管内，又称封闭波导。由于微波传输的特殊性，只要能够保证结构强度，通常不关心金属管的厚度。

实施例

本例以工作频率为8.4GHz的过模圆波导TM₀₁模转弯结构为例进行说明，如图2和图3所示，包括依次相连的输入圆波导1、同轴波导3和输出圆波导6。输入圆波导1和输出圆波导 6半径与同轴波导外导体半径相同，均为半径28mm的金属导管，同轴波导3内导体2半径为 13mm。输入圆波导1和输出圆波导6与同轴波导3同轴，如图2中的MON轴线。同轴波3内导体2径向均匀分布有四片导体插板4，相邻导体插板4间隔90°，四片导体插板4与同轴波导内导体和外导体相连，将同轴波导腔分割成四个截面形状和面积相同的扇形波导腔5，如图3中5a、5b、5c和5d所示，其中有2张导体插板4与转弯半径R共面，如图2所示。每片导体插板4厚度d均为2mm，导体插板4长度＜同轴波导内导体2长度，同轴波导内导体2两端分别伸入输入圆波导1和输出圆波导6各21mm，即图2中b＝21mm。本例同轴波导以R＝38mm 为转弯半径弯曲90°，即图1中θ＝90°。由图2可以看出，四片导体插板4设置在90°弯角内，两端分别超过转弯处5mm，即图2中c＝5mm，且该转弯角度的角平分线OP过同轴波导内导体的中点O。本例中，导体插板4两端超过转弯部分5mm，主要起到过渡的作用，在微波传输过程中能够从输入端的输入圆波导1通过同轴波导3过渡到扇形波导5，然后通过扇形波导5后过渡到同轴波导3，最后由输出圆波导6输出。

图4示出了本例过模圆波导TM₀₁模转弯结构反射曲线S和传输曲线T的示意图，数值模拟结果为：在工作频率8.4GHz下，TM₀₁模反射系数小于0.005，传输效率高于99.9％。在整个仿真频带范围8-8.8GHz内，模式传输效率高于95％。模型的最大电场值出现在转弯处的同轴波导同轴内导体上，最大值为1017V/m，经计算本例过模圆波导TM₀₁模转弯结构的设计功率容量约 2.7GW。上述结果表明，该高功率圆波导TM₀₁转弯结构具有结构紧凑、反射小、功率容量高的特性。

本例过模圆波导TM₀₁模转弯结构工作过程中波导转换示意图如图5所示，可以看成是一根圆波导经过同轴波导内导体2以及导体插板4的分割，依次由输入圆波导1转化为同轴波导 3、扇形波导5、同轴波导3最后再转化成输出圆波导6。圆波导TM₀₁模由输入圆波导1馈入，其横截面上的电场分布如图5-1所示。微波进入同轴波导经由同轴波导内导体转换为同轴TEM 模，同轴TEM模在转弯之前由金属插板将其转换为多路扇形波导TE₁₁模，转弯过程中，转弯内侧部分扇形波导(5a和5b)TE₁₁模将与外侧部分扇形波导(5c和5d)TE₁₁模产生2π的相位差。最终在转弯之后实现转弯内侧和外侧扇形波导TE₁₁模的同相，达到模式合成要求，合成为同轴 TEM模，在输出圆波导6中(相当于去掉同轴波导内导体)，同轴TEM模将转换为圆波导TM₀₁模，至此实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。整个过程的模式转换如图5所示，θ＝90°为模型转弯角度。此外，通过改变输入圆波导和同轴波导内导体的半径，可以在一定的转弯角度范围内，实现任意角度的模型转弯。

需要说明的是，图6-8所示的导体插板分布方式也可以实现上述转弯功能。其中，不同于四片插板结构的地方在于，图6-8的几种插板方式在转弯处需要控制的扇形波导TE₁₁模相位变量较4块插板多，因此，为了满足模式合成处的相位条件，需要添加相位控制变量，其中包括，插板的不同长度、扇形波导不同角度等变量。

不同插板数量的转弯方式，对于扇形波导的相位要求是相同的，即，不同扇形波导在模式合成处其TE₁₁模的相位相同或相差2kπ，其中k＝0,1,2，3…。

图6-8这几种转弯方式，对于不同转弯角度其相位关系大体是一样的。不同之处在于，不同的角度，对应的不同扇形波导TE₁₁模之间的相位差为2kπ，其中k值可能不同。

Claims

1.过模圆波导TM₀₁模转弯结构，包括依次相连的输入圆波导、同轴波导、和输出圆波导，所述输入圆波导、输出圆波导和同轴波导外导体由半径相同的导管构成，所述输入圆波导和输出圆波导与同轴波导同轴，所述同轴波导内导体径向均匀分布有4张导体插板，所述导体插板与同轴波导内导体和外导体相连，相邻导体插板间隔90°，将同轴波导腔分割成四个截面形状和面积相同的扇形波导腔，所述导体插板长度＜同轴波导内导体长度，所述同轴波导内导体两端分别伸入输入圆波导和输出圆波导，所述同轴波导以R为转弯半径弯曲θ°；R≥圆波导外径，0°＜θ＜180°。

2.根据权利要求1所述的过模圆波导TM₀₁模转弯结构，其特征在于，所述导体插板设置在弯角内，两端分别伸入输入圆波导和输出圆波导，所述θ角的角平分线过同轴波导内导体的中点。

3.根据权利要求2所述的过模圆波导TM₀₁模转弯结构，其特征在于，θ＝90°。

4.根据权利要求1所述的过模圆波导TM₀₁模转弯结构，其特征在于，所述导体插板有2张与转弯半径共面。

5.根据权利要求4所述的过模圆波导TM₀₁模转弯结构，其特征在于，所述过模圆波导TM₀₁模转弯结构工作频率为8.4GHz，输入圆波导半径为28mm，转弯半径R＝38mm，θ＝90°，同轴波导内导体半径为13mm，导体插板厚度2mm，同轴波导内导体超出导体插板21mm。