CN107611528B - 一种双频大功率过模波导弯头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频大功率过模波导弯头，属于微波毫米波技术领域。该弯头包括90度弯曲椭圆波导、以及设置于其两端的输入端过渡结构、输出端过渡结构；所述波导弯头内壁光滑过渡。由于具有模式选择特性，可在不同频段选择不同的工作模式，实现双频工作。本发明还具有结构简单且对称，便于加工装配；宽带效率高，特别是对TE₁₁模式有极宽的带宽；横截面尺寸大，功率容量高等优点。

Description

一种双频大功率过模波导弯头

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及到一种大功率微波过模波导弯头。

背景技术

为提高在复杂环境中的可靠性和精度，现代先进雷达、电子干扰机等多采用多频带工作模式。回旋行波管具有高峰值功率、宽频带、高效率等特点，是大功率微波毫米波器件主要的功率源。双频回旋行波管对于发展先进的大功率微波系统具有重要意义。2012年台湾澎湖理工大学的Chien-Lun Hung等人设计了Ka/V波段的双频回旋行波管，其工作模式为TE₂₁模和TE₄₁模。理论结果表明：峰值功率分别可为375kW/150kW。2014年电子科技大学的唐勇等人设计了工作于Ka/Ku波段，输出为TE₀₁/TE₁₁模式的回旋行波管。在工作频段上，均能实现峰值功率都大于100kW的微波输出。为了将双频回旋行波管的输出微波能量高效传送到天馈系统中，实现对外辐射，必需开展双频大功率传输链路的研制，以减少链路的复杂度，提高系统的紧凑性，降低成本。

在引导大功率电磁波向前传播的过程中，出于系统体积限制或应用需求等原因，不可避免地要使用波导弯头来引导电磁波转向。为了避免发生击穿和降低传输损耗，大功率微波传输器件都采用过模波导结构。较基模波导而言，过模波导模式数丰富，边界的扰动容易导致内部发生模式耦合。在波导发生转弯时，由于边界的改变容易激励起寄生模式，从而降低传输模式纯度。因此，在工程应用中，大功率波导弯头的难点在于如何有效地抑制寄生模式的产生。

常用的波导弯头结构有变曲率圆波导弯头、斜角弯头、椭圆波导弯头等。变曲率圆波导弯头结构简单，但带宽极窄，传输效率大于95％的带宽约为1％。斜角弯头由相移段、模式发生段和反射镜面组成，具有高功率容量、高效率等优点。但是斜角弯头的传输效率在偏离中心频点后会急剧下降，工作带宽较窄。椭圆波导弯头是一种结构简单、易于加工的弯头结构。较其他两种转弯方式不同的是，椭圆波导弯头虽然最大传输效率较低，但是在相同的传输效率的情况下工作频带更宽。A.A.Vikharev等人设计了一种Ka波段椭圆波导转弯结构(具体见文献“NewTE01 Waveguide Bends”，Journal of Infrared,Millimeter,andTerahertz Waves,2009,30(6):556-565.)，传输效率大于95％的绝对带宽超过10％，整个结构的长度仅为250mm。但是其结构的波导横截面的尺寸较小，工作频率几乎接近于截止频率，这使得这种结构的转弯方式难以实现大功率传输。

发明内容

针对背景技术中所介绍的弯头结构只适用于单模传输的情况，本发明提出了一种双频大功率过模波导弯头，可在Ka/Ku频段上分别实现TE₀₁和TE₁₁模式的高效带传输。

本发明的技术方案是：一种双频大功率过模波导弯头，包括90度弯曲椭圆波导、以及设置于其两端的输入端过渡结构、输出端过渡结构；所述波导弯头内壁光滑过渡。

所述输入端过渡结构，包括依次设置的第一过渡段、第一移相段、第二过渡段、第二移相段，其中过渡段均为线性过渡。为了消除可能存在的谐振，在两个过渡段后面分别放置了均匀波导作为移相段。

所述第一过渡段为圆-椭圆过渡波导，将前级输入圆波导过渡为第一移相段。

所述第一移相段为椭圆波导，且长轴与90度弯曲椭圆波导长轴相同、短轴为90弯曲椭圆波导短轴1.05-1.1倍。

所述第二过渡段为椭圆-椭圆过渡波导，将第一移相段过渡到第二移相段。

所述第二移相段为椭圆波导，且横截面尺寸与90度弯曲段椭圆波导相同。

所述输出端过渡结构与输入端过渡结构呈对称分布，当后级输出的圆波导尺寸与前级输入的圆波导尺寸一样时，输出端过渡结构与输入端过渡结构的尺寸也相同。

所述90度弯曲椭圆波导的轴线为四分之一圆弧，横截面为尺寸固定不随转弯轴线变化的椭圆，且椭圆长轴垂直于弯曲面，椭圆偏心率在0.5到0.6之间。

所述90度弯曲椭圆波导的轴线长度与

模式和TE₀₁模式的拍波波长长度相同，即轴线长度L和转弯半径R满足如下的公式：

其中

为拍波波长,R为90度弯曲椭圆波导曲率半径；

为

的传播常数，

为TE₀₁模式的传播常数，Δβ为传播常数差。其中各个模式的传播常数由如下的本征方程决定：

其中

为横向本征模函数，A为归一化幅度，ce_m、se_m分别为角向马丢偶、奇函数，Je_m、Jo_m分别为径向马丢偶、奇函数；η、ξ分别为椭圆柱坐标系角向坐标和径向坐标；ω、β分别是电磁波的角频率和传播常数；t、z分别是时间变量和轴向距离；q是一个无量纲参数，其与横向传播常数k_⊥的关系满足等式(4)：

其中h为椭圆横截面半焦距，且

a为椭圆横截面半长轴，b为椭圆横截面半短轴。k_⊥为横向传播常数，与自由空间中的传播常数k的关系如式(5)：

所述椭圆横截面长、短半轴选取应使拍波波长满足：

和TE₀₁模式的拍波波长是TE₁₂模式与TE₀₁模之间的拍波波长和TE₁₁模式与TE₀₁模之间的拍波波长的公倍数，即满足式(6)，以使寄生模式

模、TE₁₂模和TE₁₁模在

和TE₀₁模式的一个拍波波长处全部耦合回到TE₀₁模式。

其中，N₁和N₂表示正整数；

表示

模式与TE₀₁模式的拍波波长；

表示

模式与TE₀₁模式的拍波波长，

表示

模式与TE₀₁模式的拍波波长。

进一步地，该弯头还包括设置于90度弯曲椭圆波导内侧的支撑结构，支撑结构由三根呈三角形连接的金属杆组成，防止90度弯曲椭圆波导受力变形。

波导各部分均采用凹凸法兰连接，材料为铝，以减轻器件重量。在法兰连接处配有定位销钉，以保证装配精度。

所述双频大功率过模波导弯头的工作原理如下：

对于圆波导TE₀₁模式，在圆波导存在简并模式TM₁₁模式。圆波导的直接弯曲会使得TE₀₁模式向TM₁₁模式发生强烈耦合。为了实现高效率的波导弯头，应设法使TE₀₁模式和TM₁₁模式不再为简并模式，进而抑制TE₀₁模式向TM₁₁模式的耦合。在椭圆波导中，TE₀₁模式与TM₁₁模式不再为简并模式，且TM₁₁模式在长轴与短轴上存在不同，分别为偶模

和奇模

考虑到较偶模

而言，奇模

的传播常数和TE₀₁模式的传播常数相差比较小，因此转弯时要避免

模式和TE₀₁模式的耦合。由于放置的椭圆波导的弯曲曲面与椭圆的长轴垂直，使得

模式和TE₀₁模式之间不能发生耦合。因此，入射的TE₀₁模沿着90度弯曲过模波导传播的过程中，部分能量首先会耦合到

模式。但是，由于90度弯曲波导的轴向长度为一个拍波波长，产生的

模会重新耦合回到TE₀₁模式。同理，对于其他寄生模式而言，由于90度弯曲波导的轴向长度的结构特殊性，使得寄生模式与工作模式存在一个或多干耦合周期，在输出端口均会耦合回TE₀₁模式，从而实现TE₀₁模式的高效传输。

对于TE₁₁模式，在弯曲的圆波导中由于其与TM₀₁模式的传播常数最接近，所以主要与TM₀₁发生耦合。当微波由圆波导过渡到椭圆波导中的时候，圆波导简并的两个TE₁₁模式分别对应于椭圆波导中的奇模

和偶模

当垂直极化的TE₁₁模式经过过渡段以后，转化成椭圆波导中的

模。本发明长轴垂直于弯曲面，故奇模

与TM₀₁模式不耦合，而主要与TE₂₁发生耦合。由于TE₂₁模式与

模式的相位常数相差很远，所以在很长的频带中这两个模式之间的耦合强度很低。其他杂摸由于其相位常数和

模相差很远，耦合较弱，可以忽略。因此本发明可以实现垂直极化TE₁₁模式宽带高效的传输。

本发明具备以下优点：

1、由于具有模式选择特性，可在不同频段选择不同的工作模式，实现双频工作。

2、结构简单且对称，便于加工装配。

3、宽带效率高，特别是对TE₁₁模式有极宽的带宽。

4、波导过模，横截面尺寸大，功率容量高。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的过渡结构图；

图3是本发明Ka波段TE₀₁模式的传输效率；

图4是本发明输出端口Ka波段TE₀₁耦合出的杂模分布情况；

图5是本发明输入端口Ka波段TE₀₁模式的反射情况；

图6是本发明Ku波段垂直极化TE₁₁模式的传输效率；

图7是本发明输出端口Ku波段TE₁₁耦合出的杂模分布情况；

图8是本发明输入端口Ku波段垂直极化TE₁₁模式的反射情况。

附图标号说明：1表示前级输入/后级输出圆波导；2为第一过渡段；3为第一移相段；4表示第二过渡段；5为第二移相段；6为90度弯曲椭圆波导；7为支撑架；8销钉；9为法兰。

具体实施方式

下面结合附图，以一个Ka/Ku双频大功率过模弯头作为实施例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不只局限该实施例。

一种双频过模波导弯头，包括90度弯曲椭圆波导、以及设置于其两端的输入端过渡结构、输出端过渡结构；所述波导弯头内壁光滑过渡。本发明工作时，从前级圆柱波导馈入的电磁波经过输入端过渡结构转化成椭圆波导中的模式，经过90度弯曲椭圆波导实现转弯后经输出端过渡结构过渡为后级圆波导中的模式。

本实施例的结构如图1所示。90度弯曲椭圆波导的长半轴13.9mm，短半轴11.9mm。弯曲段波导的曲率半径不变，转弯角度为90度，转弯半径R为390mm。椭圆长轴与90度弯曲椭圆波导的弯曲曲面垂直。输入端过渡结构如图2所示。前级输入圆波导1半径为16mm，第一相移段3为椭圆波导，长半轴与弯曲椭圆波导长半轴相同，为13.9mm，短半轴为弯曲椭圆波导短半轴的1.059倍，为12.6mm。第二相移段5为椭圆波导，横截面尺寸与90度弯曲椭圆波导相同，分别为13.9mm、11.9mm。第一相移段3、第二相移段5长度分别为10mm、20mm。第一过渡段2长度为150mm，是前级圆波导1到第一相移段3的线性过渡段。第二过渡段4长度为40mm，是第一相移段3到第二相移段5的线性过渡段。输出端过渡结构与输入端过渡结构对称。

本发明的工作原理如下：

对于Ka波段，前级输入圆波导中的TE₀₁模式经过输入端过渡结构变成90度弯曲椭圆波导中的TE₀₁模式。在TE₀₁模沿着90度弯曲椭圆波导传播的过程中，部分能量由TE₀₁模式耦合到

模式，在经过一个拍波波长以后能量又从

耦合回到TE₀₁模式。还有一部分能量耦合到其他的模式中，与

相似，在经过一个拍波波长距离以后，能量又会耦合回到TE₀₁模式中，且呈周期性往复耦合。本发明中

和TE₀₁模式的拍波波长是杂模

与TE₀₁模式的拍波波长和

与TE₀₁模式的拍波波长的公倍数。90度弯曲椭圆波导的轴线总长度为TE₀₁和TM₁ ^e ₁的拍波波长，因此在出口处

模式和

模式的能量几乎全部耦合回到TE₀₁模式，从而使得输出端口处的TE₀₁模式的能量保留在很高的水平。90度弯曲椭圆波导输出的TE₀₁模式的微波经输出端过渡结构转换为后级输出圆波导中的TE₀₁模式的微波。

对于Ku波段，圆波导中为极化方向垂直于弯曲面的TE₁₁模，电磁波通过输入端过渡结构后到达90度弯曲椭圆波导。在90度弯曲椭圆波导中以奇模

沿着轴线传播并转弯，部分能量向椭圆波导偶模

耦合，与TM₀₁模式不发生耦合。由于椭圆波导偶模

与奇模

模式相位常数相差很大，

模式与

整体的耦合强度很低，90度椭圆波导输出端口处的

模式含量小，

模式仍保留在一个很高的水平。

模式的电磁波经过90度弯曲椭圆波导后，进入输出端过渡结构，转换成后级输出圆波导中的TE₁₁模。

如图3所示，为本实施例中Ka波段TE₀₁模式传输效率，在26GHz-31.7GHz的范围里，端口输出的TE₀₁模式的能量大于96％，其中在29.5GHz处达到最大，且最大效率98.3％。表明本结构实现了Ka波段TE₀₁模式宽带高效传输。

如图4所示，为本实施例Ka波段TE₀₁模式在弯头出口的杂模寄生情况，其主要杂模为TE₁₁，能量在-18dB以下，可见本发明实现了TE₀₁模式的高纯度传输。

如图5所示，为本实施例Ka波段TE₀₁模式的反射系数，可以看出在26GHz-32GHz的范围里入口的反射在-20dB以下。

如图6所示，为本实施例Ku波段TE₁₁极化方向垂直于弯曲曲面时的传输效率。可以看出，对于垂直极化的TE₁₁模式效率大于98％的通带为9GHz-21.5GHz。在9GHz-21.5GHz的范围里，输出端口的TE₁₁模式的能量大于98％，在13GHz达到最大效率且最大效率为99.9％。

如图7所示，为本实施例Ku波段TE₁₁极化方向垂直于弯曲曲面时的杂模情况。主要杂模为TE₀₁和TE₂₁，在9GHz-22GHz范围里小于-20dB；没有TM₀₁耦合出现。可见本发明实现了TE₁₁模式的高纯度传输。

如图8所示，为本实施例Ku波段TE₁₁极化方向垂直于弯曲曲面时的入口的反射情况，反射在9GHz-22GHz的范围内小于-19dB。

综上，可以看出，本发明设计了一种Ka/Ku波段的双频双模的过模波导弯头。在26GHz-31.7GHz的范围内对TE₀₁的传输效率大于96％，绝对带宽5.7GHz，相对带宽19.8％；对于极化方向垂直于弯曲面的TE₁₁模式，在9GHz-21.5GHz范围内效率大于98％，绝对带宽12.5GHz，相对带宽可达82.0％。

Claims (4)

1.一种双频大功率波导转弯结构，包括90度弯曲椭圆波导、以及设置于其两端的输入端过渡结构、输出端过渡结构；所述波导弯头内壁光滑过渡；

所述输入端过渡结构，包括第一过渡段、第一移相段、第二过渡段、第二移相段，其中过渡段均为线性过渡；所述输出端过渡结构与输入端过渡结构镜相对称设置；

所述第一过渡段为圆-椭圆过渡波导，将前级输入圆波导过渡为第一移相段；

所述第一移相段为椭圆波导，且长轴与90度弯曲椭圆波导长轴相同、短轴为90度弯曲椭圆波导短轴1.05-1.1倍；

所述第二过渡段为椭圆-椭圆过渡波导，将第一移相段过渡为第二移相段；

所述第二移相段为椭圆波导，且横截面尺寸与90度弯曲椭圆波导相同；

所述90度弯曲椭圆波导的轴线为四分之一圆弧，且椭圆长轴垂直于弯曲面；

所述90度弯曲椭圆波导的轴线长度L与

模式和TE₀₁模式的拍波波长长度相同，即90度弯曲椭圆波导的轴线长度L和转弯半径R满足如下的公式：

其中

为拍波波长，R为90度弯曲椭圆波导曲率半径，

为

的传播常数，

为TE₀₁模式的传播常数，Δβ为传播常数差；其中各个模式的传播常数由如下的本征方程决定：

其中

为横向本征模函数，A为归一化幅度，ce_m、se_m分别为角向马丢偶、奇函数，Je_m、Jo_m分别为径向马丢偶、奇函数；η、ξ分别为椭圆柱坐标系角向坐标和径向坐标；ω、β分别是电磁波的角频率和传播常数；t、z分别是时间变量和轴向距离；q是一个无量纲参数，其与横向传播常数k_⊥的关系满足等式(4)：

其中h为椭圆横截面半焦距，且

a为椭圆横截面半长轴，b为椭圆横截面半短轴；k_⊥为横向传播常数，与自由空间中的传播常数k的关系如式(5)：

所述椭圆横截面长、短半轴选取应使拍波波长满足：

和TE₀₁模式的拍波波长是TE₁₂模式与TE₀₁模之间的拍波波长和TE₁₁模式与TE₀₁模之间的拍波波长的公倍数，即满足式(6)，以使寄生模式

模、TE₁₂模和TE₁₁模在

和TE₀₁模式的一个拍波波长处全部耦合回到TE₀₁模式；

其中，N₁和N₂表示正整数；

表示

模式与TE₀₁模式的拍波波长；

表示

模式与TE₀₁模式的拍波波长，

表示

模式与TE₀₁模式的拍波波长。

2.如权利要求1所述的一种双频大功率波导转弯结构，其特征在于：90度弯曲椭圆波导横截面椭圆偏心率为0.5-0.6。

3.如权利要求1所述的一种双频大功率波导转弯结构，其特征在于：该转弯结构还包括设置于90度弯曲椭圆波导内侧的支撑结构，支撑结构由三根呈三角形连接的金属杆组成。

4.如权利要求1所述的一种双频大功率波导转弯结构，其特征在于：波导各部分均采用材料为铝的凹凸法兰连接；法兰连接处配有保证装配精度的定位销钉。

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