CN107039716B

CN107039716B - 一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器

Info

Publication number: CN107039716B
Application number: CN201710455195.2A
Authority: CN
Inventors: 张运俭; 马弘舸; 丁恩燕; 赵刚; 秦风; 林江川; 蔡金良; 钟龙权
Original assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Current assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2037-06-16
Also published as: CN107039716A

Abstract

本发明提供了一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，包括同轴圆波导、在同轴圆波导内沿同轴圆波导轴线方向设置将同轴圆波导均分为两部分的金属平板，所述其中一半波导填充有不同长度段的介电介质，另一半波导为真空，频率为f的微波在两半波导内经过长度L的传播后，产生180度相移，实现频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式。本发明采用上述结构，实现了多频点依据低频至高频的顺序由TEM模式至TE₁₁模式的转换。该模式转换方法结构简单、紧凑、易操控，且易于和圆锥喇叭天线集成，获得高功率微波轴向增益。

Description

一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器

技术领域

本发明属于高功率微波模式转换器技术领域，具体涉及一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器。

背景技术

多数高功率微波源具有旋转对称结构，它们产生的模式多是旋转轴对称模式。常见高功率微波源，例如磁绝缘线振荡器、渡越时间振荡器、相对论返波管、相对论速调管的输出都是轴对称TEM模式或TM₀₁模式。这些模式的横向电场呈轴对称分布，从而导致其远场轴向辐射为零，即所谓空心波束，该类微波模式不利于高功率微波的定向传输与发射。为了实现定向辐射，通常要将圆波导TM₀₁模或同轴TEM模变换为圆波导TE₁₁模以获得轴向增益。当前被采用的高功率微波模式变换器基本有以下两种：弯曲型变换方式和移相型变换方式。弯曲型变换方式中比较有代表性的模式变换器为双曲型波导模式变换器。移相型变换方式主要包括同轴插板式模式变换器、径向线型模式变换器及介电介质移相器。

对于波导传输多频状态下TM₀₁或TEM模式的高功率微波，由于多数模式转换器具有选频特性(窄频)，且结构特点决定某些转换器(双曲型、径向线型模式转换器)无法改变结构参数，或某些转换器(同轴插板式模式转换器)结构变换较大，无法实现跨频段多频点高功率微波模式转换。

从TEM模式和TE₁₁模式的场结构可知，将TEM模式横截面一半部分的电场反向即可获得与TE₁₁近似的场分布。因此，考虑将TEM模传输波导分割为角度为180度的两部分，再分别对两部分施以不同相移，使其产生180度相移即可实现模式变换。对于同轴波导进行多频模式转换，从轴向长度及可操控性来考虑，介电介质移相模式转换是一个可行的选择。

发明内容

本发明提供了一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，解决了对于波导传输多频状态下TM₀₁或TEM模式的高功率微波，由于多数模式转换器具有选频特性(窄频)，且结构特点决定某些转换器(双曲型、径向线型模式转换器)无法改变结构参数，或某些转换器(同轴插板式模式转换器)结构变换较大，无法实现跨频段多频点高功率微波模式转换问题，通过同轴圆波导内的金属平板将同轴圆波导分为两个部分，一半为真空，另一半填充有介电介质，TEM模式微波在介电介质及真空内的相速度不一致，经过一定长度L的传播，TEM模式微波在两个填充不同介质的180度扇形波导内产生180度相移，当介电介质长度满足(β₁-β₂)·L＝π(β₁为180度扇形真空波导内的微波相速度，β₂为180度扇形填充介电介质波导内的微波相速度，L为介电介质长度)时，可实频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案实现：一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，包括同轴圆波导、在同轴圆波导内沿同轴圆波导轴线方向设置将同轴圆波导均分为两部分的金属平板，所述其中一半波导填充有不同长度段的介电介质，另一半波导为真空，频率为f的微波在两半波导内经过长度L的传播后，产生180度相移，实现频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式，若频率f₁的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₁，频率f₂的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₂，其中频率f₁的数值小于频率f₂的数值，则将总长为L₁中长度为(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度转移至另一半波导，其与剩余长度为L₂+(L₁-L₂)/2介电介质组合实现频率f₂的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式。

进一步地，若频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₁，频率f₂由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₂，频率f₃由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₃，频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L_n，其中频率的数值关系为：f₁＜f₂＜……＜f_n，对应的介电介质长度关系为：L₁＞L₂＞……＞L_n，则可将长度为L₁的介电介质按照长度(L₁-L₂)/2、(L₁-L₃)/2-(L₁-L₂)/2、……、L_n+(L₁-L_n)/2进行分割，在同轴圆波导内最小频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式对应介电介质长度为L₁基础上，任意频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式时，经过旋转180度转移至另一半波导的介电介质长度为(L₁-L_n)/2。

进一步地，在频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式需要介电介质长度为L₁基础上，将长度为(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度转移至另一半波导，其与剩余介电介质组合可实现频率f₂由TEM模式转换为TE₁₁模式；在长度为(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度转移至另一半波导的基础上，在未旋转的介电介质中将长度为(L₁-L₃)/2-(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度至另一半波导，另一半波导中介电介质总长度为(L₁-L₃)/2，其与剩余介电介质组合可实现频率f₃由TEM模式转换为TE₁₁模式；剩余介电介质长度为L_n+(L₁-L_n)/2时，其与经过180度旋转至另一半波导的其余部分介电介质组合可实现频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式。

进一步地，所述金属平板的轴向长度按照介电介质的长度进行相应切割，所述一段金属平板对应一段介电介质，且所述每段介电介质均固定在各自对应长度的金属平板上。

进一步地，所述各段金属平板均可独立绕同轴内导体进行旋转。

进一步地，同轴圆波导外设置有调节结构，所述各段金属平板通过调节机构实现可控180度旋转。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

与现有技术相比，本发明利用同轴圆波导内一金属板将同轴圆波导平分为两部分，其中一部分填充有多段不同长度的介电介质，另一部分为真空，TEM模式微波在介电介质及真空内的相速度不一致，经过一定长度L的传播，TEM模式微波在两个填充不同介质的180度扇形波导内产生180度相移，频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式。

每段介电介质固定在各自对应长度的金属板上，在同轴圆波导内最小频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式对应介电介质长度为L₁基础上，任意频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式时，通过设置在同轴圆波导外的调节机构，将长度为(L₁-L_n)/2的介电介质旋转180度转移至另一段波导来实现。

通过介电介质移相模式转换器整体和部分可控处理的设计方法，实现了多频点依据低频至高频的顺序由TEM模式至TE₁₁模式的转换。该模式转换方法结构简单、紧凑、易操控，且易于和圆锥喇叭天线集成，获得高功率微波轴向增益。

附图说明

图1为本发明的可控多频(跨频段四频点)介电介质移相型模式转换器整体结构示意图。

图2为频率为f₁的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图。

图3为频率为f₂的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图。

图4为频率为f₃的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图。

图5为频率为f₄的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图。

其中：1、金属圆波导，2、金属圆波导同轴内导体，3、长度为L′的介电介质，4、长度为L″的介电介质，5、长度为L″′的介电介质，6、长度为L″″的介电介质，7、金属平板，8、真空腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，包括同轴圆波导，该同轴圆波导包括金属圆波导、沿金属圆波导轴心设置的同轴内导体。金属平板在同轴圆波导内沿轴线方向设置并将同轴圆波导平分为180扇形两部分，作用是将同轴圆波导内传输的TEM模式微波均分为两部分，一部分在填充有多段不同长度的介电介质中传播，另一部分仍然继续在真空腔中传播，介电介质为半圆形结构。金属平板可以采用金属薄片，金属平板的在轴向上的长度按照每段介电介质的长度进行相应切割，即一段金属平板与一段介电介质一一对应。金属平板套嵌在同轴内导体上，每段介电介质固定在各自对应长度的金属平板上，各段金属平板通过相应的调节机构实现可控180度旋转，调节机构设置在同轴圆波导外部。旋转金属平板带动与其固定连接的介电介质旋转，每段介电介质均可绕轴线方向旋转180度转移至另一半波导。

TEM模式微波在在介电介质及真空内的相速度不一致，经过一定长度L的传播，TEM模式微波在两个填充不同介质的180度扇形内产生180度相移，当介电介质长度满足(β₁-β₂)·L＝π(β₁为180度扇形真空波导内的微波相速度，β₂为180度扇形填充介电介质波导内的微波相速度，L为介电介质长度)时，可实现频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式。

同轴圆波导内若频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的半圆柱形介电介质长度为L₁，暨频率为f₁的TEM模式微波经过距离L₁的传播，分别在介电介质内及真空中传播的两部分产生了180度的相位差；f₂由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的半圆柱形介电介质长度为L₂，暨频率为f₂的TEM模式微波经过距离L₂的传播，分别在介电介质内及真空中传播的两部分产生了180度的相位差，其中频率f₁的数值小于频率f₂的数值。则将长度为(L₁-L₂)/2的半圆柱形介电介质旋转180度转移至另一半波导，其与剩余长度为L₂+(L₁-L₂)/2介电介质组合的模式转换效果与长度为L₂的模式转换效果一致。暨同轴圆波导中两个180度扇形内频率为f₂的TEM模式微波在长度为(L₁-L₂)/2介电介质传播产生的相位差相互抵消，实质仍为频率为f₂的TEM模式微波经过距离L₂的传播，分别在介电介质内及真空中传播的两部分产生了180度的相位差。暨通过介电介质移相模式转换器整体和部分可控处理的设计方法，实现了多频点依据低频至高频的顺序由TEM模式至TE₁₁模式的可控转换。

同轴圆波导内若频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的半圆柱形介电介质长度为L₁，频率f₂由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的半圆柱形介电介质长度为L₂，频率f₃由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的半圆柱形介电介质长度为L₃，频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的半圆柱形介电介质长度为L_n。其中频率的数值关系为：f₁＜f₂＜……＜f_n，对应的半圆形介电介质长度关系为：L₁＞L₂＞……＞L_n。则可将长度为L₁的半圆柱形介电介质按照长度(L₁-L₂)/2、(L₁-L₃)/2-(L₁-L₂)/2、……、L_n+(L₁-L_n)/2进行分割。暨在同轴圆波导内最小频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式对应介电介质长度为L₁基础上，任意频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式时，需确保经180度旋转转移至另一半波导的介电介质长度为(L₁-L_n)/2。

在频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式需要半圆柱形介电介质长度为L₁基础上，将长度为(L₁-L₂)/2的半圆柱形介电介质旋转180度转移至另一半波导，其与剩余介电介质组合可实现频率f₂由TEM模式转换为TE₁₁模式；在长度为(L₁-L₂)/2的半圆柱形介电介质旋转180度转移至另一半波导的基础上，将长度为(L₁-L₃)/2-(L₁-L₂)/2的半圆柱形介电介质旋转180度转移至另一半波导，暨另一半波导中半圆柱形介电介质总长度为(L₁-L₃)/2，其与剩余介电介质组合可实现频率f₃由TEM模式转换为TE₁₁模式；剩余介电介质长度为L_n+(L₁-L_n)/2时，其与经过180度旋转至另一半波导的其余部分介电介质组合可实现频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式。

以下结合具体实例来说明可控多频介电介质移相型模式转换器的实施过程。

如图2所示频率为f₁的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图，假定频率为f₁的TEM模式高功率微波在真空同轴波导中传播，然后经一均分波导的金属薄片，频率为f₁的TEM模式高功率微波一半在介质中传输，另外一半继续在真空中传输，由于微波在介质及真空中传播的相速不同，经过距离L₁，分别在介质及真空中传输的TEM模式高功率微波产生180度相位差，则频率为f₁的TEM模式高功率微波在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式。假定在图1中频率f₁的TEM模式转换为TE₁₁模式的距离为L₁＝L′+L″+L″′+L″″。

如图3所示频率为f₂的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图，假定频率为f₂的TEM模式高功率微波在真空同轴波导中传播，然后经一均分波导的金属薄片，频率为f₂的TEM模式高功率微波一半在介质中传输，另外一半继续在真空中传输，由于微波在介质及真空中传播的相速不同，经过距离L₂，分别在介质及真空中传输的TEM模式高功率微波产生180度相位差，则频率为f₂的TEM模式高功率微波在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式。设定L′＝(L₁-L₂)/2，则有L₂+(L₁-L₂)/2＝L″+L″′+L″″。将长度为L′的介质旋转180度，其与剩余的介电介质长度组合，则实现频率f₂的TEM模式转换为TE₁₁模式，转换效果与经过介电介质长度为L₂的模式转换效果一致。

如图4所示频率为f₃的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图，假定频率为f₃的TEM模式高功率微波在真空同轴波导中传播，然后经一均分波导的金属薄片，频率为f₃的TEM模式高功率微波一半在介质中传输，另外一半继续在真空中传输，由于微波在介质及真空中传播的相速不同，经过距离L₃，分别在介质及真空中传输的TEM模式高功率微波产生180度相位差，则频率为f₃的TEM模式高功率微波在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式。设定L′+L″＝(L₁-L₃)/2，则有L₃+(L₁-L₃)/2＝L″′+L″″。将长度为L′及L″的介质旋转180度，其与剩余长度的介电介质组合，则实现频率f₃的TEM模式转换为TE₁₁模式，转换效果与经过介电介质长度为L₃的模式转换效果一致。

如图5所示频率为f₄的高功率微波不包含圆波导的模式转换器结构示意图，假定频率为f₄的TEM模式高功率微波在真空同轴波导中传播，然后经一均分波导的金属薄片，频率为f₄的TEM模式高功率微波一半在介质中传输，另外一半继续在真空中传输，由于微波在介质及真空中传播的相速不同，经过距离L₄，分别在介质及真空中传输的TEM模式高功率微波产生180度相位差，则频率为f₄的TEM模式高功率微波在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式。设定L′+L″+L″′＝(L₁-L₄)/2，则有L₄+(L₁-L₄)/2＝L″″。将长度为L′、L″及L″′的介质旋转180度，其与剩余的介电介质组合，则实现频率f₄的TEM模式转换为TE₁₁模式，转换效果与经过介电介质长度为L₄的模式转换效果一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，其特征在于包括同轴圆波导、在同轴圆波导内沿同轴圆波导轴线方向设置将同轴圆波导均分为两部分的金属平板，其中一半波导填充有不同长度段的介电介质，另一半波导为真空，频率为f的微波在两半波导内经过长度L的传播后，产生180度相移，实现频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式，若频率f₁的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₁，频率f₂的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₂，其中频率f₁的数值小于频率f₂的数值，则将总长为L₁中长度为(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度转移至另一半波导，其与剩余长度为L₂+(L₁-L₂)/2介电介质组合实现频率f₂的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式；

所述金属平板的轴向长度按照介电介质的长度进行相应切割，一段金属平板对应一段介电介质，且每段介电介质均固定在各自对应长度的金属平板上。

2.根据权利要求1的所述一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，其特征在于若频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₁，频率f₂由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₂，频率f₃由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L₃，频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式需要的介电介质长度为L_n，其中频率的数值关系为：f₁＜f₂＜……＜f_n，对应的介电介质长度关系为：L₁＞L₂＞……＞L_n，则可将长度为L₁的介电介质按照长度(L₁-L₂)/2、(L₁-L₃)/2-(L₁-L₂)/2、……、L_n+(L₁-L_n)/2进行分割，在同轴圆波导内最小频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式对应介电介质长度为L₁基础上，任意频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式时，经过旋转180度转移至另一半波导的介电介质长度为(L₁-L_n)/2。

3.根据权利要求2所述的一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，其特征在于在频率f₁由TEM模式转换为TE₁₁模式需要介电介质长度为L₁基础上，将长度为(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度转移至另一半波导，其与剩余介电介质组合可实现频率f₂由TEM模式转换为TE₁₁模式；在长度为(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度转移至另一半波导的基础上，在未旋转的介电介质中将长度为(L₁-L₃)/2-(L₁-L₂)/2的介电介质旋转180度至另一半波导，另一半波导中介电介质总长度为(L₁-L₃)/2，其与剩余介电介质组合可实现频率f₃由TEM模式转换为TE₁₁模式；剩余介电介质长度为L_n+(L₁-L_n)/2时，其与经过180度旋转至另一半波导的其余部分介电介质组合可实现频率f_n由TEM模式转换为TE₁₁模式。

4.根据权利要求1所述的一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，其特征在于所述各段金属平板均可独立绕同轴内导体进行旋转。

5.根据权利要求4所述的一种高功率微波可控多频介电介质移相型模式转换器，其特征在于同轴圆波导外设置有调节结构，所述各段金属平板通过调节机构实现可控180度旋转。