CN107240738B - 一种矩形波导te10-圆波导te01模式转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型的矩形波导TE10‑圆波导TE01模式转换器，该模式转换器在把矩形波导TE10模转换为圆波导TE01模的同时，能很好地抑制多个低次模的传输，得到的圆波导中TE01模纯度较高。本发明所述新型的矩形波导TE10‑圆波导TE01模式转换器插入损耗小，电路构架简洁，可由现有工艺和技术条件实现，具有很好的应用前景。

Description

一种矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器
技术领域
本发明涉及微波毫米波技术领域，特别涉及毫米波固态功率合成技术和高功率传输领域。
背景技术
圆波导中存在多种传输模式，其中TE11模、TE01模和TM01模是最为常用的三种模式。在这当中，TE11模是圆波导的最低模式，由于容易发生极化简并，所以一般不用于作为传输模式，但利用其极化简并现象，可制成微波器件如极化衰减器、极化变换器等；TM01波的特点则是电场呈辐射状轴对称，壁面电流只有纵向分量，可用于做天馈系统中的旋转关节或直线电子加速器中的谐振腔；TE01波的场分布具有轴对称性，当把它用作径向功率合成网络中圆波导的工作模式时，能够使得多路等功率输出和相位相同。同时由于TE01模的电力线是分布在圆波导横截面内的闭合曲线，在管壁附近只有Hz分量，因此在波导壁上只有沿圆周方向的表面电流，没有纵向电流，在传输功率不变时，TE01波型的衰减常数随频率的升高而降低，这一特性使得TE01模十分适合用作毫米波远距离传输以及用作高Q值谐振腔的工作模式。但TE01不是最低次模，所以采用TE01模必须设法抑制其他模式的寄生。另外，由于在实验室测试仪器的接口都是同轴线和矩形波导结构，由于测试的不方便性，圆波导一般都不会直接作为输入输出接口。所以依据设计要求，一般需要将圆波导口转换为标准矩形波导接口，即在圆波导信号的输入前端添加矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器，使得矩形波导的TE10模能够转换为圆波导中TE01模。综上，研制性能优良的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器至关重要。
一般通用的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器主要有marine型模式转换器和花瓣型模式转换器。marine型模式转换器是基于模式渐变原理设计的，通过使用变形的波导结构，把波逐步转换为需要的模式。marine型模式转换器的工作频带较宽，电路的损耗不大，但这种模式转换器所需的传输长度通常较长，且其结构多处有很大的形变，很难能够建立好其模型。而且marine型模式转换器所需的加工要求高，加工的成本高，加工时间很久。
花瓣型模式转换器由两部分组成：一是输入功分器部分。输入的矩形波导TE10模经过级联的两级E-T功分器后把输入信号分成四等份，这四路信号在从圆波导侧壁注入时沿圆周方向依次相距90度变化。二是波导模式变换部分。利用四路十字正交的矩形波导TE10波激励来得到圆波导的TE01模，从而实现矩形波导TE10模转换为圆波导TE01模的目的，这种转换器在实现高转换效率和宽频带的同时，能保证较低的损耗，且其结构简单紧凑，易于加工实现。但由于圆波导TE01模是圆波导中的第五高次模，在传统花瓣型模式转换器中，对圆波导中低次模式的抑制度不够，激励起的圆波导中TE01模式不纯，导致系统工作不稳定。
本发明提出了一种矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器。该模式转换器在传统花瓣型模式转换器的基础上，沿矩形波导窄边中心插入4片平行于相应矩形波导H面的金属膜片，在把矩形波导TE10模转换为圆波导TE01模的同时，能很好地抑制圆波导中多个低次模的传输，提高了系统工作的稳定性，其矩形波导TE10-圆波导TE01模式的转换效率也得到了一定提高，具有很好的应用前景。
发明内容
鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于多种微波毫米波系统的，能工作在较宽的频带范围内的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器。
本发明整体模型如图1所示，图2为模式变换器细节图。如图1所示，本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器其作为输入的一分四路E-T功分器和传统花瓣型模式转换器的一分四路E-T功分器相差无几，其主要改进在第二部分，即模式变换部分。如图2所示，改进的模式变换部分其构架主要包括：侧壁开孔且一端短路的圆波导；位于圆波导短路面中心的匹配圆台；4路减高波导输入；连接减高波导到圆波导侧壁的矩形波导渐变过渡段；以圆波导轴心为轴径向对称，沿矩形波导窄边中心插入的平行于矩形波导H面的4片金属膜片。由矩形波导口馈入的TE10模信号经本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器后，将由圆波导端口合成输出高纯度的圆波导TE01模。
在本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器(如图1和图2所示)中，4路减高波导尺寸大小完全相同，其宽边保持不变，窄边高度采用线性渐变到与圆波导侧壁连接处波导口高度。4路输入矩形波导沿圆波导外围径向排列，空间上呈十字正交形，矩形波导E面与圆波导轴向相互垂直。
在本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器中，按轴对称径向排列的4片金属膜片(如图3)具有相同的结构和尺寸，每片都与对应的输入矩形波导H面平行，且位于矩形波导窄边中心位置。金属膜片一端伸向矩形波导内部，其高度与矩形波导宽边a一致，其伸入矩形波导内的长度l可通过电磁场仿真优化得到；另一端伸向圆波导内部，与匹配圆台衔接。伸向圆波导内的金属膜片下端与圆波导短路面相连，上端与波导上臂齐平。
在本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器中，4路输入矩形波导E面与圆波导轴向相互垂直，在空间上呈十字正交形，矩形波导工作于TE10模式，圆波导工作于TE01模式。4路输入矩形波导的底面到圆波导短路面的距离为dh可通过电磁场仿真优化得到。
在本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器中，位于圆波导短路面中心的圆台用以实现矩形波导到圆波导口的良好匹配，该匹配圆台的半径rm和高度hm可通过电磁场仿真优化得到。
本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器中，其特点是：1.插入损耗小；2.高功率容量，通常金属波导的功率容量高于其他集成传输线，且圆波导TE01模式具有极高功率容量特性；3.圆波导中TE01模纯度高，系统工作稳定；4.其结构简单紧凑，易于加工实现。
附图说明
图1是本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器实施例的总体结构图。
图2是本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器实施例的细节图。
图3是本发明实施例的圆波导端口TE01模式反射系数。
图4是本发明实施例的各矩形波导支路端口-圆波导端口TE01模式传输系数幅度。
图5是本发明实施例的各矩形波导支路端口-圆波导端口TE11模式传输系数幅度。
图6是本发明实施例的圆波导端口TE01波与TE11波的相对功率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2所示，本具体实施例为一个8毫米波段的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器。在实施例中，一端短路的输出圆波导，其半径大小的选取至关重要。在本实施例中，其半径选取规则是：要能满足所需工作模式TE01的传输，同时抑制其以下高次模的传输，这里选取圆波导的半径为r＝6.4mm，记为端口1。4路输入矩形波导尺寸结构相同，其输入窄边高度为b0＝2.8mm，窄边由b0逐渐线性变化至圆波导侧壁连接处波导口窄边高度b1＝7.2mm，输入矩形波导宽边尺寸a始终保持不变，为7.112mm，4路输入矩形波导的底面到圆波导短路面的距离为dh＝1mm。这里依次记4路输入矩形波导端口为2-5。
圆波导内匹配圆台位于圆波导短路面中心，其半径rm＝3.2mm，高度hm＝2.6mm。
图2为本实施例的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器其模式变换器的细节展示，本实施例中金属膜片共有4片，安插于相应的4路矩形波导窄边中心，并与每路输入矩形波导的H面平行。金属膜片一端伸向矩形波导内部，其高度与矩形波导宽边a一致，其伸入矩形波导内的长度l＝5.1mm；另一端伸向圆波导内部，与匹配圆台衔接。伸向圆波导内的金属膜片下端与圆波导短路面相连，上端与波导上臂齐平。
图3-6为本发明实施例的电磁场仿真结果。在图3中，本发明实施例的圆波导端口TE01模式反射系数在32-36GHz范围内≤-23dB；在35.2GHz达到最小，为﹣40dB。图4中，在32-36GHz范围内，本发明实施例的各矩形波导支路端口-圆波导端口TE01模式传输系数幅度为-6.03dB左右，最大为-6.01dB，最小值为-6.05dB；和理论值-6dB相比可知，本发明实施例的各矩形波导支路端口-圆波导端口传输损耗小于0.05dB，且幅度一致性良好。由图5可见，最大的干扰模式TE11模到各端口的传输系数基本达到了-10dB以下。由图6可见，本发明所述TE10-TE01模式转换器的圆波导端口，所需工作模式TE01模的强度远远高于TE11模的强度。可见，本实施例实现了由矩形波导口馈入的TE10模成功激励起圆波导中纯度较高的TE01模，提高了所需工作模式的转换效率并保证了系统工作的稳定性。
由以上结果可以看出，本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器在八毫米波频段实现了由矩形波导口馈入的TE10波成功激励起圆波导中高纯度的TE01波，提高了所需工作模式TE01模的转换效率并保证了系统工作的稳定性。由实施例可以看出，本发明所述的矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器插入损耗小，能在宽频带内实现对圆波导内低次模式的抑制，具有广泛的应用前景。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种矩形波导TE10-圆波导TE01模式转换器，包括：一分四路E-T功分器和模式变换部分，输入的矩形波导TE10模经过所述一分四路E-T功分器后分为四路信号从所述一分四路E-T功分器的四个减高波导输出；
其特征在于，所述模式变换部分包括圆波导、匹配圆台、4片金属膜片、和四个矩形波导渐变过渡段，
所述圆波导一端短路，另一端作为圆波导输出端输出转换后的圆波导TE01模；
所述四个矩形波导渐变过渡段一端分别连接所述四个减高波导，另一端连接所述圆波导；所述四个矩形波导渐变过渡段的窄边沿所述圆波导径向排列，其E面与所述圆波导轴向相互垂直，所述四个矩形波导渐变过渡段在空间上呈十字正交结构；所述四个矩形波导渐变过渡段的底面到圆波导短路面的距离为dh；
所述匹配圆台设置在所述圆波导内部且位于所述圆波导短路面中心位置；
所述四片金属膜片呈正交十字形，每片所述金属膜片分别与一个对应的所述矩形波导渐变过渡段的H面平行，且位于所述矩形波导渐变过渡段的窄边中心位置；每片所述金属膜片的一端伸向对应的所述矩形波导渐变过渡段的内部且与所述矩形波导渐变过渡段等高，另一端伸向所述圆波导内部且与所述匹配圆台衔接；伸向所述圆波导内的金属膜片下端与所述圆波导短路面相连，上端与所述矩形波导渐变过渡段的上臂齐平。
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