CN107516752A - 毫米波‑太赫兹频段的超高阶波导模式激励器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波‑太赫兹频段的超高阶波导模式激励器及实现方法。本发明通过在金属圆波导前接入同轴线引入激励源，输入激励方式简单；采用环形介质光栅，将轴对称波导模式转换为超高阶波导模式；并且通过改变环形介质光栅的角向周期数，控制输出模式的角向指数；通过控制金属圆波导的半径，控制超高阶波导模式的径向指数；金属圆锥将环形介质光栅内部激发的轴对称波导模式封闭在环形介质光栅内，从而提高超高阶波导模式的纯度；本发明结构简单，能够实现任意圆波导的TM模式的激励。

Description

毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器及实现方法

技术领域

本发明涉及微波器件领域，尤其涉及一种毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器及其实现方法。

背景技术

微波领域，电磁模式转换和模式激发是一个基础问题。因为在波导中激发特定的模式在很多场合中具有重要的作用。比如真空高功率器件回旋行波管、回旋反波管中冷场测试时，往往需要激发出特定的工作模式，测试真空管的Q值和准光天线的性能时，同样也需要在圆波导内产生特定的高阶模式。除此之外，在天线以及雷达系统中，输出模式往往需要进行转换，以便更好馈入到天线系统。模式转换可以有多种方法实现，比如大多数都是经过渐变波导实现圆波导到矩形波导的相互转换。在高功率微波传输系统中，有时为了降低传输损耗，波导内部也需要传输的高阶模式下。所以设计一种结构简单的高阶模式激励器具有重要意义。

到如今为止，工作频率从微波段一直到可见光波段，已经有大量的关于模式转换的研究成果。尽管已经提出了多种设计方案，可以实行各种模式转换功能，但是在圆波导内，激发出角向指数很高的高阶模式依然很困难。因为，利用多源馈入法激励的方式来产生高阶模式，控制各个馈源的相位控制是一个很困难，这对加工工艺精度有极大要求。其它采用内部耦合方法的方案，也只能在圆波导低阶模式之间进行。

发明内容

针对以上现有技术中的突出问题，本发明提出了一个简单有效的超高阶波导模式激励器，利用环形介质光栅的电磁散射特性，来实现圆波导轴对称模式到转换为高阶角向指数非对称模式，并且输入馈源只需要的同轴线；并且基于该方法，可以实现任意圆波导的TM模式的激励。

本发明的一个目的在于提供一种毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器。

本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器包括：同轴线、金属圆波导、环形介质光栅和金属圆锥；其中，在金属圆波导前设置同轴线，金属圆波导与同轴线同轴，同轴线的同轴线输入端口与金属圆波导的前端封闭，形成垂直于轴的封闭面；在金属圆波导内紧贴封闭面设置环形介质光栅，同轴线的线芯深入至环形介质光栅内，金属圆波导的半径大于环形介质光栅的外径，二者之间形成透射区域；环形介质光栅包括两种介电常数不同的材料，沿角向周期性均匀间隔分布；在金属圆波导内环形介质光栅的末端设置金属圆锥，金属圆锥的底面贴合环形介质光栅，环形介质光栅的外径等于金属圆锥的底面的半径，金属圆锥为金属材料的实心圆锥体；同轴线、金属圆波导、环形介质光栅和金属圆锥共轴；激励源通过同轴线输入端口引入，在金属圆波导内部激发起的电磁波具有轴对称波导模式；在同轴的环形介质光栅的散射作用下，散射波包含各次空间谐波分量，除了0次空间谐波外，其他高次空间谐波在角向存在驻波；调整环形介质光栅的结构参数，从而将轴对称波导模式转换为只含有单一空间谐波的超高阶波导模式；金属圆波导将超高阶波导模式输出，并且金属圆波导的半径控制超高阶波导模式的径向指数；环形介质光栅末端的金属圆锥将环形介质光栅内部激发的轴对称波导模式封闭在环形介质光栅内，从而提高超高阶波导模式的纯度。

金属圆波导包括依次连接的三段：第一段均匀圆波导、渐变圆波导和第二段均匀圆波导；其中，第一段均匀圆波导为圆筒形，半径均匀为R₄，第二段均匀圆波导为圆筒形，半径均匀为R₅，R₄＞R₅，渐变圆波导连接第一段均匀圆波导与第二段均匀圆波导，半径由R₄逐渐减小至R₅；渐变圆波导的梯度倾角为α，α＜5°；第一段均匀圆波导的长度与环形介质光栅的沿轴向的厚度相同，第一段均匀圆波导与环形介质光栅之间形成透射区域；渐变圆波导的长度不小于金属圆锥的高度；第一段均匀圆波导的半径控制径向指数，半径越大，径向指数越高；透射区域形成的超高阶波导模式，通过渐变圆波导，保持波形传输，并通过第二段均匀圆波导传输出去。

环形介质光栅包括两种介电常数不同的材料，介电常数分别是ε₁和ε₂，沿角向周期性均匀间隔分布，角向周期数为m，径向厚度(圆环的外半径与内半径的差值)为d，内半径为R₂；一束柱面波照射到环形介质光栅的表面，那么反射波和透射波将由一系空间谐波组成；如果角向周期数m足够小，那么每相邻空间谐波之间的波数就会很大，那么在环形介质光栅区域之外两个区域，径向的波数就会变成就会变成虚数，所以在透射区域中，除了0阶空间模式的透射波外，不存在其他高阶模式的透射波。由于环形介质光栅的散射作用，透射区域包含各次空间谐波分量，在沿着环形介质光栅周期变化的角向存在驻波；并且各次空间谐波分量的大小受光环形介质光栅的几何尺寸、角向周期数以及材料的介电常数控制。根据介电常数ε₁和ε₂调整环形介质光栅的内半径足够小，以抑制2次以上空间谐波，并优化环形介质光栅的径向厚度，使得0次空间谐波的幅值最小，从而将轴对称波导模式转换为只含有单一空间谐波，即输出模式只含有1次空间谐波的超高阶波导模式，超高阶波导模式的周期为环形介质光栅的角向周期数m。

金属圆锥采用金属材料，如铜，导电率高，从而降低损耗。

同轴线包括同轴的筒状的同轴线输入端口和内部的线芯。

通过调整超高阶波导模式激励器的结构参数，在毫米波至太赫兹频段的频率范围都能够实现的超高阶波导模式。

本发明的另一个目的在于提供一种毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的实现方法。

本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的实现方法，包括以下步骤：

1)根据金属圆波导的工作频率以及需要激发的超高阶波导模式，确定超高阶波导模式激励器的各个结构参数；

2)激励源由同轴线引入金属圆波导，在金属圆波导内部激发起的电磁波具有轴对称波导模式；

3)在同轴的环形介质光栅的散射作用下，电磁波模式包含各次空间谐波分量，在角向存在驻波，通过调整环形介质光栅的结构参数，从而将轴对称波导模式转换为只含有单一空间谐波的超高阶波导模式；

4)金属圆波导将超高阶波导模式输出，并且金属圆波导的半径控制超高阶波导模式的径向指数；

5)环形介质光栅末端的金属圆锥将环形介质光栅内部激发的轴对称波导模式封闭在环形介质光栅内，从而提高超高阶波导模式的纯度。

其中，在步骤1)中，结构参数包括同轴线的尺寸、环形介质光栅的结构参数和金属圆波导的结构参数；同轴线的尺寸包括同轴线输入端口的内半径；同轴线的尺寸包括同轴线输入端口的内半径；环形介质光栅的结构参数包括环形介质光栅的结构参数包括径向厚度d、介电常数ε₁和ε₂、内半径R₂以及角向周期数m；金属圆波导的结构参数包括属圆波导的第一段均匀圆波导和第二段均匀圆波导的半径、渐变圆波导的梯度倾角、第一段均匀圆波导和第二段均匀圆波导的长度和渐变圆波导的长度。

在步骤2)中，同轴线的尺寸与超高阶波导模式激励器的工作波长相适应。

在步骤3)中，根据介电常数ε₁和ε₂调整环形介质光栅的内半径足够小，以抑制2次以上空间谐波，并优化环形介质光栅的径向厚度d，使得0次空间谐波的幅值最小，根据所激发的超高阶波导模式的角向指数确定角向周期数m。

在步骤4)中，金属圆波导的第一段均匀圆波导和第二段均匀圆波导的半径控制径向指数；渐变圆波导的梯度倾角α＜5°时，波导模式得到很好的保持。

在步骤4)中，第一段均匀圆波导的半径控制径向指数，半径越大，径向指数越高；透射区域形成的超高阶波导模式，通过渐变圆波导，保持波形传输，并通过第二段均匀圆波导传输出去。

本发明的优点：

本发明通过在金属圆波导前接入同轴线引入激励源，输入激励方式简单；采用环形介质光栅，将轴对称波导模式转换为超高阶波导模式；并且通过改变环形介质光栅的角向周期数，控制输出模式的角向指数；通过控制金属圆波导的半径，控制超高阶波导模式的径向指数；金属圆锥将环形介质光栅内部激发的轴对称波导模式封闭在环形介质光栅内，从而提高超高阶波导模式的纯度；本发明结构简单，能够实现任意圆波导的TM模式的激励。

附图说明

图1为本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的三维图；

图2为本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的一个实施例的剖面图；

图3为本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的一个实施例的环形介质光栅的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为立体图；

图4为本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的一个实施例在35GHz时，仿真轴向电场分布图；

图5为本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的一个实施例在35GHz时，在图4的横截面A处电场强度分布图；

图6为本发明的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的一个实施例在35GHz时，在图4的横截面B出电场强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1和2所示，本实施例的毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器包括：同轴线1、金属圆波导41～43、环形介质光栅2和金属圆锥3；其中，在金属圆波导前设置同轴线1，金属圆波导与同轴线同轴，同轴线的同轴线输入端口与金属圆波导的前端封闭，形成垂直于轴封闭面；在金属圆波导内紧贴封闭面设置环形介质光栅2，同轴线的线芯深入至环形介质光栅内，金属圆波导的半径大于环形介质光栅的外径，二者之间形成透射区域；环形介质光栅2包括两种介电常数不同的材料，沿角向周期性均匀间隔分布；在金属圆波导内环形介质光栅的末端设置金属圆锥3，金属圆锥的底面贴合环形介质光栅，环形介质光栅的外径等于金属圆锥的底面的半径，金属圆锥为金属材料的实心圆锥体；同轴线1、金属圆波导、环形介质光栅2和金属圆锥3共轴。

如图2所示，金属圆波导包括依次连接的三段：第一段均匀圆波导41、渐变圆波导42和第二段均匀圆波导43；其中，第一段均匀圆波导为圆筒形，半径均匀为R₄，第二段均匀圆波导为圆筒形，半径均匀为R₅，R₄＞R₅，渐变圆波导连接第一段均匀圆波导与第二段均匀圆波导，半径由R₄逐渐减小至R₅，渐变圆波导的梯度倾角为α，α＜5°；第一段均匀圆波导的长度L₁与环形介质光栅沿轴向的厚度相同，第一段均匀圆波导与环形介质光栅之间形成透射区域；渐变圆波导的长度L₂不小于金属圆锥的高度；第一段均匀圆波导和第二段均匀圆波导的半径控制径向指数，半径越大，径向指数越高；透射区域形成的超高阶波导模式，通过渐变圆波导，保持波形传输，并通过第二段均匀圆波导传输出去。第二段均匀圆波导的长度为L₃。为了保证渐变圆波导的梯度渐变的坡度α<5°，需要满足tan(α)＝(R₄-R₅)/L₂<0.0875。输入同轴线的线芯不能与金属圆锥接触，伸入圆波导的长度大于2×L₁/3即可。同轴线的同轴线输入端口的内半径为R₁。

如图3所示，环形介质光栅两种介电常数不同的材料，介电常数分别是ε₁和ε₂，沿角向周期性均匀间隔分布，角向周期数为m，径向厚度为d，内半径为R₂。一束柱面波照射到环形介质光栅表面，那么反射波和透射波将由一系类空间谐波组成，其中沿轴方向的电场表达式为：

场表达式中上标括号里面的数字j(1,2,3)代表不同区域，1代表环形介质光栅内部区域，2代表环形介质光栅区域，3代表环形介质光栅外部区域，即透射区域。r和Φ分别是径向和角向空间变量，k₀＝ω/c为空间波数，ω为工作的角频率，c为自由空间光速，i＝0,±1,±2,±3,…,±N为整数，代表不同的散射波空间模式数。A_i代表区域1中第i反射空间谐波的幅度，T_i代表区域3中第i透射空间谐波的幅度k_i表示表示第i次径向空间波数。u_i和d_i分别代表第i次空间谐波向圆心和背着圆心传播的谐波的幅度值。由第一个式子(1)知，在环形介质光栅内部区域中，全场的表达式为入射场加上反射场，分别为式子(1)的第一项和第二项，其中反射场由一系列空间谐波组成。而在环形介质光栅区域中，场的表达式为式子(2)所示，在这里H为汉开尔函数，下标mi代表第m×i阶汉开尔函数。其中m为圆环介质光栅的角向周期数。s_n为角向各次谐波的系数，它的大小为介质在角向空间变化函数的傅里叶变换，其计算表达式为：

其中s(θ)为：

n整数，满足关系0≤n≤m。ε₁和ε₁两者材料的介电常数。

根据弗洛圭定理知，在周期结构中，场由一系列空间谐波组成。所以在平面环形介质光栅中，如果角向周期数m足够小，那么每相邻空间谐波之间的波数就会很大，比如，Δk＝2π/m>k₀，那么在介质区域之外两个区域，径向的波数就会变成就会变成虚数，所以在透射区域中，除了0阶空间模式的透射波外，不存在其他高阶模式的透射波。假设入射角波的入射角为零度，即波垂直于环形介质光栅入射，当环形介质光栅的结构参数适合，仅仅存在0阶和±1阶空间谐波存在于透射区域中。由于对称性，±1空间谐波的透射幅度一样大，那么在最理想情况下，±1空间谐波各有各占将50％的入射波能量。所以在透射区域中，在沿着环形介质光栅周期变化方向将存在驻波，就可以实现模式变换功能。并且各次空间谐波分量的大小受环形介质光栅的几何尺寸以及材料的介电常数控制。在本实例中，假定激发的模式为TM_10,4模式，角向指数m＝10，所以环形介质光栅的角向周期数也为10，内半径为R₂。每个单元弧度角为18°，10个圆弧介质单元在角向均匀分布，并且每个介质单元的径向厚度为d。本实施例的环形介质光栅只用一种材料，另外一种为空气，这样可以使制造加工更加简单，不影响模式激励效果。该种材料的介电常数为ε₁。该实例中模式激励器工作频率为35GHz，通过HFSS仿真软件模拟，进行结构参数扫描，对结构参数进行优化，可以得到如下一组结构参数，超高阶波导模式激励器的结构参数如下表：

参数	大小	说明
			L1	20mm	第一段均匀波导的长度
L3	30mm	第二段均匀波导的长度
			L2	30mm	渐变圆波导的长度
R1	2mm	同轴线输入端口的内半径
			R2	20mm	环形介质光栅的内半径
R4	37mm	第一段均匀波导的半径
			R5	35.5mm	第二段均匀波导的半径
ε1	7	材料的介电常数
			d	3.5mm	环形介质光栅的径向厚度
m	10	环形介质光栅的角向周期数

同时要注意的是，环形介质光栅放置的位置应该与金属圆波导同轴，金属圆锥的轴也必须与环形介质光栅的轴重合。对同轴线的线芯半径以及同轴线的规格大小没有具体要求，对该结构的功能影响不大。

在上表的结构参数下，通过数值仿真软件计算。当工作频率在35GHz时，同轴线输入为同轴基模TEM模式。图4为波导沿轴方向电场幅度分布图，从图中可以看出，输出的电场径向指数为4，场形在往输出端传输时，径向指数可以得到很好的保持。同时为了验证横向场的模式情况，分别在图4中的A和B两处观察场形。如图5所示为在界面A处的电场强度分布图，从图5可以看出，场透射过介质光栅后，变成了高阶的非轴对称TM_10,4模式，并且图6中可以看出，场传到第二段均匀波导时，横向的电场模式依然保持TM_10,4模式。

通过上面的实例可以看出，该高阶圆波导模式激励器只需要通过同轴线馈入，一个环形介质光栅，一个金属圆锥和一个金属圆波导就可以激发起高阶圆波导模式。根据该原理，我们只要改变第一段均匀圆波导的半径R₄，就可以改变输出模式的径向指数，同时如果把环形介质光栅的角向周期数m改变，就能够控制输出模式的角向指数。所以基于该原理，可以推广到激发起任意高阶圆波导TM模式。该模式激励器结构简单，加工容易，能够激发起超高阶的圆波导模式。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器，其特征在于，所述超高阶波导模式激励器包括：同轴线、金属圆波导、环形介质光栅和金属圆锥；其中，在金属圆波导前设置同轴线，所述金属圆波导与同轴线同轴，同轴线的同轴线输入端口与金属圆波导的前端封闭，形成垂直于轴的封闭面；在金属圆波导内紧贴封闭面设置环形介质光栅，同轴线的线芯深入至环形介质光栅内，金属圆波导的半径大于环形介质光栅的外径，二者之间形成透射区域；环形介质光栅包括两种介电常数不同的材料，沿角向周期性均匀间隔分布；在金属圆波导内环形介质光栅的末端设置金属圆锥，所述金属圆锥的底面贴合环形介质光栅，环形介质光栅的外径等于金属圆锥的底面的半径，金属圆锥为金属材料的实心圆锥体；所述同轴线、金属圆波导、环形介质光栅和金属圆锥共轴；激励源通过同轴线输入端口引入，在金属圆波导内部激发起的电磁波具有轴对称波导模式；在同轴的环形介质光栅的散射作用下，散射波包含各次空间谐波分量，除了0次空间谐波外，其他高次空间谐波在角向存在驻波；调整环形介质光栅的结构参数，从而将轴对称波导模式转换为只含有单一空间谐波的超高阶波导模式；金属圆波导将超高阶波导模式输出，并且金属圆波导的半径控制超高阶波导模式的径向指数；环形介质光栅末端的金属圆锥将环形介质光栅内部激发的轴对称波导模式封闭在环形介质光栅内，从而提高超高阶波导模式的纯度。

2.如权利要求1所述的超高阶波导模式激励器，其特征在于，所述金属圆波导包括依次连接的三段：第一段均匀圆波导、渐变圆波导和第二段均匀圆波导；其中，所述第一段均匀圆波导为圆筒形，半径均匀为R₄，所述第二段均匀圆波导为圆筒形，半径均匀为R₅，R₄＞R₅，所述渐变圆波导连接第一段均匀圆波导与第二段均匀圆波导，半径由R₄逐渐减小至R₅；透射区域形成的超高阶波导模式，通过渐变圆波导，保持波形传输，并通过第二段均匀圆波导传输出去。

3.如权利要求2所述的超高阶波导模式激励器，其特征在于，所述渐变圆波导的梯度倾角为α，α＜5°。

4.如权利要求2所述的超高阶波导模式激励器，其特征在于，所述第一段均匀圆波导的长度与环形介质光栅沿轴向的厚度相同，第一段均匀圆波导与环形介质光栅之间形成透射区域；渐变圆波导的长度不小于金属圆锥的高度；第一段均匀圆波导的半径控制径向模式指数，半径越大，径向指数越高。

5.如权利要求1所述的超高阶波导模式激励器，其特征在于，所述环形介质光栅包括两种介电常数不同的材料，介电常数分别是ε₁和ε₂，沿角向周期性均匀间隔分布，角向周期数为m，径向厚度为d，内半径为R₂；根据介电常数ε₁和ε₂调整环形介质光栅的内半径足够小，以抑制2次以上空间谐波，并优化环形介质光栅的径向厚度，使得0次空间谐波的幅值最小，从而将轴对称波导模式转换为只含有单一空间谐波，即输出模式只含有1次空间谐波的超高阶波导模式，超高阶波导模式的周期为环形介质光栅的角向周期数m。

6.一种毫米波-太赫兹频段的超高阶波导模式激励器的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)根据金属圆波导的工作频率以及需要激发的超高阶波导模式，确定超高阶波导模式激励器的各个结构参数；

2)激励源由同轴线引入金属圆波导，在金属圆波导内部激发起的电磁波具有轴对称波导模式；

3)在同轴的环形介质光栅的散射作用下，电磁波模式包含各次空间谐波分量，在角向存在驻波，通过调整环形介质光栅的结构参数，从而将轴对称波导模式转换为只含有单一空间谐波的超高阶波导模式；

4)金属圆波导将超高阶波导模式输出，并且金属圆波导的半径控制超高阶波导模式的径向指数；

5)环形介质光栅末端的金属圆锥将环形介质光栅内部激发的轴对称波导模式封闭在环形介质光栅内，从而提高超高阶波导模式的纯度。

7.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤1)中，结构参数包括同轴线的尺寸、环形介质光栅的结构参数和金属圆波导的结构参数；同轴线的尺寸包括同轴线输入端口的内半径；同轴线的尺寸包括同轴线输入端口的内半径；环形介质光栅的结构参数包括环形介质光栅的结构参数包括径向厚度d、介电常数ε₁和ε₂、内半径R₂以及角向周期数m；金属圆波导的结构参数包括属圆波导的第一段均匀圆波导和第二段均匀圆波导的半径、渐变圆波导的梯度倾角、第一段均匀圆波导和第二段均匀圆波导的长度和渐变圆波导的长度。

8.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤2)中，同轴线的尺寸与超高阶波导模式激励器的工作波长相适应。

9.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤3)中，根据介电常数ε₁和ε₂调整环形介质光栅的内半径足够小，以抑制2次以上空间谐波，并优化环形介质光栅的径向厚度d，使得0次空间谐波的幅值最小，根据所激发的超高阶波导模式的角向指数确定角向周期数m。

10.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤4)中，金属圆波导的第一段均匀圆波导和第二段均匀圆波导的半径控制径向指数；渐变圆波导的梯度倾角α＜5°时，波导模式得到很好的保持。