CN107634296A

CN107634296A - 高功率微波te11模极化旋转合成器及极化旋转合成方法

Info

Publication number: CN107634296A
Application number: CN201710780383.2A
Authority: CN
Inventors: 肖仁珍; 张治强; 张余川
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: CN107634296B

Abstract

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器及极化旋转合成方法。高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器包括输入圆波导、椭圆波导、输出圆波导和两个过渡波导，位于输入圆波导与椭圆波导之间的为输入端过渡波导，位于椭圆波导与输出圆波导之间的为输出端过渡波导。本发明通过结构参数设置，使频率不同极化正交的两个线极化TE₁₁模通过极化旋转合成器后，一个极化方向保持不变，另一个极化方向旋转90°，从而实现极化旋转合成，获得更高的瞬态电场，产生更好的效应结果。

Description

高功率微波TE11模极化旋转合成器及极化旋转合成方法

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器及极化旋转合成方法。

背景技术

高功率微波在国防和民用上具有广阔的应用前景，世界各国正在争相大力发展高功率微波技术。从高功率微波应用需求方面考虑，有时需要利用多个频率的微波同时对目标进行作用，因而需要使高功率微波器件同时产生多个频率，或者将多个高功率微波器件产生的不同频率的微波进行合成。现有的合成器通常是利用极化隔离进行合成，例如Guolin Li等人在2010年发表的论文Combining microwave beams with high peak powerand long pulse duration(刊载于Physics of Plasmas,vol.17,033301,2010)、QiangZhang等人在2011年发表的论文T-junction waveguide-based combining high powermicrowave beams(刊载于Physics of Plasma,vol.18,083110,2011)以及Jinyong Fang等人在2013年发表的论文A synthesizer for gigawatt class high power microwaves(刊载于Laser and Particle Beams,vol.31,pp.567-58,2013)。采用极化隔离合成器之后，不同频率的TE₁₁微波可以由两个波导合成到一个波导中，但是其极化方向正交，无法获得更高的瞬态电场。

发明内容

本发明目的是提供一种高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器及极化旋转合成方法，实现了将频率不同极化正交的两个线极化TE₁₁模合成为极化方向相同的TE₁₁模，能够获得更高的瞬态电场，有利于产生更好的效应结果。

本发明的技术解决方案是：一种高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器，其特殊之处在于：包括输入圆波导、椭圆波导、输出圆波导和两个过渡波导，位于输入圆波导与椭圆波导之间的为输入端过渡波导，位于椭圆波导与输出圆波导之间的为输出端过渡波导；

所述椭圆波导的横截面是短轴半径为R₁、长轴半径为R₂的椭圆形，R₂＞R₁；

所述输入圆波导的横截面是半径为R₁的圆形，输入圆波导通过输入端过渡波导与椭圆波导的一端相连；

所述输出圆波导的横截面是半径为R₁的圆形，输出圆波导通过输出端过渡波导与椭圆波导的另一端相连；

所述过渡波导是母线为直线的锥形壳体，过渡波导的一个端面是与输入圆波导或输出圆波导相吻合的圆形，过渡波导的另一个端面是与椭圆波导相吻合的椭圆形。

所述高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器的结构参数满足如下关系：

其中，f₁和f₂分别是两个待合成的极化正交的TE₁₁模的频率，单位为GHz，f₁>f₂；所述椭圆波导的长轴半径方向与两个待合成的极化正交的TE₁₁模的极化方向均呈45°夹角；L₁为过渡波导的长度，单位为cm，L₂为椭圆波导的长度，单位为cm；k_x1、k_y1和k_y1t(l)分别是频率为f₁的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、在椭圆波导中竖直极化方向和在过渡波导中竖直极化方向的传播常数，k_x2、k_y2和k_y2t(l)分别是频率为f₂的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、在椭圆波导中竖直极化方向和在过渡波导中竖直极化方向的传播常数；r(l)是在过渡波导中距输入圆波导或输出圆波导长度为l处竖直极化方向的半径，单位为cm；c为真空中光速。

本发明还提供一种高功率微波TE₁₁模极化旋转合成方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将两个待合成的极化方向相互垂直的TE₁₁模同时输入至输入圆波导中，两个TE₁₁模的极化方向均与椭圆波导的长轴半径方向呈45°夹角；其中一个TE₁₁模的频率为f₁，另一个TE₁₁模的频率为f₂，f₁>f₂；

2)在输入圆波导内，频率为f₁的线极化的TE₁₁模分成两个等幅正交的TE₁₁模；竖直极化方向与椭圆波导的长轴半径方向重合，水平极化方向与椭圆波导的短轴半径方向重合；

频率为f₂的线极化的TE₁₁模也分成两个等幅正交的TE₁₁模；竖直极化方向与椭圆波导的长轴半径方向重合，水平极化方向与椭圆波导的短轴半径方向重合；

3)频率为f₁的两个正交模式的TE₁₁模依次传输通过输入端过渡波导、椭圆波导和输出端过渡波导后产生相移差nπ，其中n为整数；

频率为f₂的两个正交模式的TE₁₁模依次传输通过输入端过渡波导、椭圆波导和输出端过渡波导后产生相移差(n+1)π；

4)在输出圆波导内，重新得到两个频率分别为f₁和f₂的线极化模式的TE₁₁模，其中一个TE₁₁模的极化方向与输入时的极化方向相同，另一个TE₁₁模的极化方向与输入时的极化方向垂直，完成两个极化正交的TE₁₁模的极化旋转合成。

进一步地，上述的高功率微波TE₁₁模极化旋转合成方法满足如下参数关系：

其中，f₁和f₂分别是两个待合成的极化正交的TE₁₁模的频率，f₁>f₂；L₁为过渡波导的长度，L₂为椭圆波导的长度；k_x1、k_y1和k_y1t(l)分别是频率为f₁的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、在椭圆波导中竖直极化方向和在过渡波导中竖直极化方向的传播常数，k_x2、k_y2和k_y2t(l)分别是频率为f₂的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、在椭圆波导中竖直极化方向和在过渡波导中竖直极化方向的传播常数，r(l)是在过渡波导中距输入圆波导或输出圆波导长度为l处的竖直极化方向的半径，c为真空中光速。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过结构参数设置，使频率不同极化正交的两个线极化TE₁₁模通过极化旋转合成器后，一个极化方向保持不变，另一个极化方向旋转90°，从而实现极化旋转合成，获得更高的瞬态电场，产生更好的效应结果。

(2)本发明在圆波导与椭圆波导之间采用过渡波导进行平滑过渡，没有出现台阶等尖点，避免因发生局部电场强度增强而造成微波击穿，因此可以获得更高的功率容量。

附图说明

图1为本发明高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器结构示意图。

图2为本发明高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器中椭圆波导的横截面示意图。

图3是频率为8.574GHz的TE₁₁模在输入圆波导内的场分布。

图4是频率为6.666GHz的TE₁₁模在输入圆波导内的场分布。

图5是频率为8.574GHz的TE₁₁模在输出圆波导内的场分布。

图6是频率为6.666GHz的TE₁₁模在输出圆波导内的场分布。

其中，附图标记为：1-输入圆波导，2-输入端过渡波导，3-椭圆波导，4-输出端过渡波导，5-输出圆波导。

具体实施方式

本发明的高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器结构如图1所示，包括依次顺序连接的输入圆波导1、输入端过渡波导2、椭圆波导3、输出端过渡波导4和输出圆波导5。输入端过渡波导2为母线为直线的锥形壳体，壳体与输入圆波导1连接端为圆截面，与椭圆波导3连接端为椭圆截面，实现了输入圆波导1到椭圆波导3的平滑过渡，其长度为L₁；椭圆波导3长度为L₂，横截面为椭圆形，如图2所示，其短轴半径为R₁，与输入圆波导1以及输出圆波导5的半径相同，长轴半径为R₂，满足R₂>R₁。输出端过渡波导4为母线为直线的锥形壳体，壳体与椭圆波导3连接端为椭圆截面，与输出圆波导5连接端为圆截面，实现了椭圆波导3到输出圆波导5的平滑过渡，其长度与输入端过渡波导2相同。

工作时，频率分别为f₁和f₂的两个线极化TE₁₁模进入输入圆波导1，其极化方向互相垂直，且与椭圆波导3长轴均成45°夹角。当各参数满足如下关系时：

在输入圆波导1中频率不同极化正交的两个TE₁₁模，经过输入端过渡波导2、椭圆波导3和输出端过渡波导4后，在输出圆波导5中合成为极化方向相同的TE₁₁模。上述关系式中，k_x1、k_y1和k_y1t(l)分别为频率f₁的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、竖直极化方向和过渡波导中竖直极化方向的传播常数，k_x2、k_y2和k_y2t(l)分别为频率f₂的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、竖直极化方向和过渡波导中竖直极化方向的传播常数，r(l)为过渡波导中距圆波导截面长度为l处竖直极化方向的半径，c为真空中光速。

在本实施例中，各主要参数如下：f₁＝8.574GHz,f₂＝6.666GHz,R₁＝2.5cm,R₂＝4.0cm,L₁＝20cm,L₂＝80cm。对比图3和图5可知，频率为8.574GHz的TE₁₁模在输出波导5中的极化方向与输入波导1中极化方向相比旋转了90°。对比图4和图6可知，频率为6.666GHz的TE₁₁模在输出波导5中的极化方向与输入波导1中极化方向相同。由此可见，输入圆波导1中极化正交的两个TE₁₁模，经过本发明高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器后，一个极化旋转了90°，另一个极化方向不变，从而在输出圆波导5中实现了极化合成。

本发明高功率微波TE₁₁模极化旋转合成方法的原理是：先将频率f₁的线极化的TE₁₁模，分成两个等幅正交的TE₁₁模，一个TE₁₁模极化方向与椭圆波导长轴重合，另一个TE₁₁模极化方向与椭圆波导短轴重合，然后，根据椭圆波导中长轴与短轴方向TE₁₁模式相速不同的特性，两正交模式在椭圆波导内传输一定距离后，即可实现两个正交模式产生一定的相移差。需要指出的是，过渡波导除了实现结构的渐变，也同样会使两个正交模式产生一定的相移差。当两正交模式在过渡波导与椭圆波导中总的相移差为π的偶数倍时，在输出圆波导中得到线极化模式，其极化方向与输入圆波导中相同；当两正交模式在过渡波导与椭圆波导中总的相移差为π的奇数倍时，在输出圆波导中也得到线极化模式，但其极化方向与输入圆波导中相比旋转了90°。同样，将频率f₂的线极化的TE₁₁模，分成两个等幅正交的TE₁₁模，一个TE₁₁模极化方向与椭圆波导长轴重合，另一个TE₁₁模极化方向与椭圆波导短轴重合。当两正交模式在过渡波导与椭圆波导中总的相移差为π的偶数倍时，在输出圆波导中得到线极化模式，其极化方向与输入圆波导中相同；当两正交模式在过渡波导与椭圆波导中总的相移差为π的奇数倍时，在输出圆波导中也得到线极化模式，但其极化方向与输入圆波导中相比旋转了90°。这样，通过选择合适的结构参数，可使频率不同极化正交的两个线极化TE₁₁模，一个极化方向保持不变，另一个极化方向旋转90°，从而实现极化旋转合成。

Claims

1.一种高功率微波TE₁₁模极化旋转合成器，其特征在于：包括输入圆波导、椭圆波导、输出圆波导和两个过渡波导，位于输入圆波导与椭圆波导之间的为输入端过渡波导，位于椭圆波导与输出圆波导之间的为输出端过渡波导；

所述过渡波导是母线为直线的锥形壳体，过渡波导的一个端面是与输入圆波导或输出圆波导相吻合的圆形，过渡波导的另一个端面是与椭圆波导相吻合的椭圆形；

n为整数

<mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mn>0</mn> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> </msubsup> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>y</mi> <mn>2</mn> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>&rsqb;</mo> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mi>&pi;</mi> </mrow>

2.一种高功率微波TE₁₁模极化旋转合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的高功率微波TE₁₁模极化旋转合成方法，其特征在于，满足如下参数关系：

n为整数

其中，f₁和f₂分别是两个待合成的极化正交的TE₁₁模的频率，单位为GHz，f₁>f₂；L₁为过渡波导的长度，单位为cm；L₂为椭圆波导的长度，单位为cm；k_x1、k_y1和k_y1t(l)分别是频率为f₁的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、在椭圆波导中竖直极化方向和在过渡波导中竖直极化方向的传播常数，k_x2、k_y2和k_y2t(l)分别是频率为f₂的TE₁₁模在椭圆波导中水平极化方向、在椭圆波导中竖直极化方向和在过渡波导中竖直极化方向的传播常数，r(l)是在过渡波导中距输入圆波导或输出圆波导长度为l处的竖直极化方向的半径，单位为cm；c为真空中光速。