CN107196022A - 一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器，包括同轴圆波导内沿同轴圆波导轴线方向设置有将同轴圆波导均分为两部分的金属平板，所述其中一部分波导填充有周期可调的边缘孔盘荷波导，另一部分为180度扇形同轴波导。同轴圆波导内频率为f的TEM模式微波被所述金属平板均分为两部分，并且各自在其对应部分的波导内传输，通过调节与微波频率f相对应的边缘孔盘荷波导周期，经过距离mp的传输，两部分波导内传输的微波产生180度相位差，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和方法，通过调节边缘盘荷波导周期，实现多频点从低频至高频的顺序由TEM模式转换为TE₁₁模式。

Description

一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器

技术领域

本发明属于高功率微波模式转换器技术领域，具体涉及一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器。

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，即满足条件(β₁-β₂)·L＝π(β₁，β₂为扇形界面波导相速度，L为模式变换器长度)。

在利用传输系统中的电磁场与电子或其他荷电粒子相互作用的装置或器件中，例如行波放大器，粒子加速器，以及在电磁波与较低速度的波例如声波或静磁波相互作用的器件中，为了使相互作用在较长距离和较长时间内持续进行，需要使传输系统中的电磁波相速低于空间光速。这种传输系统就是慢波系统或慢波结构。完全由光滑的导体壁构成的柱形系统中只能传播快波或TEM波。因为完全齐次边界条件的系统中横向只能是驻波，所以全金属结构的慢波系统器壁不可能是光滑，均匀的。常用皱折表面或称波纹表面的金属波导作为慢波结构。这时它们沿纵向不再是均匀结构而是一种周期结构。当皱折的空间周期远小于导波波长时，可以把皱折表面的系统近似作为均匀系统。从边缘孔盘荷波导本征方程可以推出，电磁波的相速度与波的传播方向(群速度方向)相反，即所谓返波。利用盘荷波导的这一特性，相移条件(β₁-β₂)·L＝π可写为(|β₁|+|β₂|)·L＝π。可见，在满足该模变相移条件时，所需的长度L将大大缩短。

发明内容

本发明提供了一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器，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，无法实现多频点依据低频至高频的顺序由TEM模式至TE₁₁模式的转换问题，通过金属平板将同轴圆波导均分为两部分，一部分填充周期可均匀调节的边缘孔盘荷波导，另一部分为180扇形同轴波导，金属平板使同轴圆波导内频率为f的TEM模式微波均分为两部分并各自在对应部分的波导内传输。经距离为mp的传输(m为正整数，p为边缘孔盘荷波导周期)，两部分波导传输的微波相位差达到180度，则实现频率为f的TEM模式微波转换为TE₁₁模式。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案实现：一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器，同轴圆波导内沿同轴圆波导轴线方向设置有将同轴圆波导均分为两部分的金属平板，所述其中一部分波导填充有周期可调的边缘孔盘荷波导，另一部分为180度扇形同轴波导，同轴圆波导内频率为f的TEM模式微波被所述金属平板均分为两部分，并且各自在其对应部分的波导内传输距离为mp(m为正整数，p为边缘孔盘荷波导周期)，两部分波导内传输的微波产生的相位差为180度，频率为f的TEM模式微波在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式，若频率f₁的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp₁，频率f₂的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp₂，频率f_n的高功率微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp_n(n＝1，2，3，……)，其中频率的数值关系满足：f₁＜f₂＜……＜f_n，其对应的盘荷波导周期关系为：p₁＞p₂＞……＞p_n，则可按照f₁、f₂、……、f_n的顺序，通过调节对应边缘孔盘荷波导周期实现多个频率的TEM模式微波依次在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式。

进一步地，所述边缘孔盘荷波导周期通过改变其对应的相邻两盘荷波导片之间的距离进行调节，并通过用于调节盘荷波导距离的外控装置依次实现边缘孔盘荷波导周期p₁、p₂、……、p_n的变化。

进一步地，所述盘荷波导片设置连接有带有螺纹结构的连接端，所述盘荷波导片通过螺纹结构与具有等差螺纹距的螺杆进行连接，螺杆连接外控装置。

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，本发明利用一金属平板将同轴圆波导均分为两部分，其中一部分填充周期为p边缘孔盘荷波导，另一部分为180度扇形同轴波导。金属平板使同轴圆波导内频率为f的TEM模式微波均分为两部分，并且各自在其对应部分的波导内传输，通过调节与微波频率f相对应的边缘孔盘荷波导周期，经过距离mp的传输(m为正整数，p为边缘孔盘荷波导周期)，两部分波导内传输的微波产生180度相位差，频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式。此外，边缘孔盘荷波导周期可均匀调节，通过外控装置实现边缘孔盘荷波导周期为p₁、p₂、……、p_n的变化。盘荷波导片通过螺纹结构与具有等差螺纹距的螺杆进行连接，螺杆在径向上转动并带动与其连接的盘荷波导片移动相应的距离，以此改变边缘孔盘荷波导的周期。

本发明通过调节边缘孔盘荷波导周期结构的设计方法，实现了多频点按照低频至高频的顺序实现由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是边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器的侧面剖视结构示意图。

图2是边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器的正面剖视结构示意图。

其中：1、圆波导，2、盘荷波导片，3、同轴内导体，4、金属平板。

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所示的一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器，包括同轴圆波导，同轴圆波导包括圆波导、在圆波导内沿圆波导轴心方向设置的同轴内导体，圆波导为金属圆波导，同轴内导体为金属同轴内导体。同轴圆波导内沿同轴圆波导轴线方向设置有将同轴圆波导均分为两部分的金属平板，金属平板为金属薄平板，其中一部分波导填充有周期可调的边缘孔盘荷波导，另一部分为180度扇形同轴圆波导。金属平板使同轴圆波导内频率为f的TEM模式微波均分为两部分，其中一部分在边缘孔盘荷波导内传输，另一部分继续在180度扇形同轴圆波导内传输，并且金属平板将同轴圆波导与同轴内导体进行定位固定连接。

如图2所示，盘荷波导片的周期为p，两盘荷波导片之间的距离为d，距离d通过外控装置可实现均匀变化，从而实现盘荷波导周期为p的调节。当距离d变换到一定值，使得盘荷波导周期p恰好可以实现在盘荷波导中传输的频率为f的微波与在圆波导中传输的微波相位差达到180度时，进而实现该频率为f的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式，即可以通过调节与微波频率f相对应的边缘孔盘荷波导周期，经过距离mp的传输(m为正整数，p为边缘孔盘荷波导周期)，两部分波导内传输的微波产生180度相位差，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模式需要经过传输的距离为mp₁，频率f₂的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp₂，频率f_n的高功率微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp_n(n＝1，2，3，……)，其中频率的数值关系满足：f₁＜f₂＜……＜f_n，其对应的盘荷波导周期关系为：p₁＞p₂＞……＞p_n，则可按照f₁、f₂、……、f_n的顺序，通过调节对应边缘孔盘荷波导周期实现多个频率的微波依次由TEM模式转换为TE₁₁模式。边缘孔盘荷波导周期通过改变其对应的相邻两盘荷波导片之间的距离进行调节，并通过用于调节盘荷波导距离的外控装置依次实现边缘孔盘荷波导周期p₁、p₂、……、p_n的变化。

盘荷波导片设置连接有具有螺纹结构的连接端，并且盘荷波导片通过螺纹结构与具有等差螺纹距的螺杆进行连接，螺杆连接外控装置，螺杆穿过螺纹结构并套在螺纹结构内，边缘孔盘荷波导周期通过改变其对应的相邻两盘荷波导片之间的距离进行调节。螺杆可以径向转动，但是不能轴向运动，螺杆径向转动使与其连接的各边缘孔盘荷波导片在各自轴向上移动相应的距离。螺杆其螺纹距分别为M、2M、3M、…、nM(M为相邻两个螺纹之间的距离)，各边缘孔盘荷波导片与其相连接的螺杆相对应一致。

根据模式转换频率的需要，将螺杆旋转一定角度θ(单位：弧度)，每个盘荷波导片在各自轴向移动距离为分别为θ·M、2θ·M、3θ·M、…、nθ·M，即使得盘荷波导片各自轴向移动距离为l、2l、3l、…、nl(l＝θ·M)，这样盘荷波导片之间的距离由d转变为d±l，对应的边缘孔盘荷波导周期长度由p变为p±l，这样边缘孔盘荷波导周期实现均匀调节。

假定频率为f₁的TEM模式微波在真空同轴圆波导中传播，然后经一均分波导的金属平板，频率为f₁的TEM模式微波一半在边缘孔盘荷波导内传输，另外一半继续在180度扇形同轴圆波导内传输，由于微波在两部分中传播的相速不同，经过传输距离mp₁，分别在边缘孔盘荷波导及180度扇形同轴波导中传输的TEM模式微波产生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。

改变边缘孔盘荷波导周期，使其周期为p₂，频率为f₂的TEM模式微波经过传输距离mp₂，分别在边缘孔盘荷波导及180度扇形同轴波导中传输的TEM模式微波产生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。

继续改变边缘孔盘荷波导周期，使其周期为p_n，频率为f_n的TEM模式微波经过传输距离mp_n，分别在边缘孔盘荷波导及180度扇形同轴波导中传输的TEM模式微波产生180度相位差，则频率为f_n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。

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 (3)

1.一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器，其特征在于同轴圆波导内沿同轴圆波导轴线方向设置有将同轴圆波导均分为两部分的金属平板，所述其中一部分波导填充有周期可调的边缘孔盘荷波导，另一部分为180度扇形同轴波导，同轴圆波导内频率为f的TEM模式微波被所述金属平板均分为两部分，并且各自在其对应部分的波导内传输距离为mp(m为正整数，p为边缘孔盘荷波导周期)，两部分波导内传输的微波产生的相位差为180度，频率为f的TEM模式微波在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式，若频率f₁的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp₁，频率f₂的微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp₂，频率f_n的高功率微波由TEM模式转换为TE₁₁模式需要经过传输的距离为mp_n(n＝1，2，3，……)，其中频率的数值关系满足：f₁＜f₂＜……＜f_n，其对应的盘荷波导周期关系为：p₁＞p₂＞……＞p_n，则可按照f₁、f₂、……、f_n的顺序，通过调节对应边缘孔盘荷波导周期实现多个频率的TEM模式微波依次在模式转换器输出端口转换为TE₁₁模式。

2.根据权利要求1所述的一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器，其特征在于所述边缘孔盘荷波导周期通过改变其对应的相邻两盘荷波导片之间的距离进行调节，并通过用于调节盘荷波导距离的外控装置依次实现边缘孔盘荷波导周期p₁、p₂、……、p_n的变化。

3.根据权利要求1所述的一种边缘孔盘荷波导多频可控模式转换器，其特征在于所述盘荷波导片设置连接有带有螺纹结构的连接端，所述盘荷波导片通过螺纹结构与具有等差螺纹距的螺杆进行连接，螺杆连接外控装置。