CN108039541B - 一种紧凑矩形te10-圆波导tm01模式转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑矩形TE10‑圆波导TM01模式转换装置，属于微波毫米波技术领域。该装置包括矩形波导、同轴波导、阶梯型同轴波导以及阶梯型圆波导。从标准矩形波导输入的TE10模通过阶梯转换为扁波导TE10模，然后通过侧壁馈入同轴波导耦合产生同轴TEM模并输入后接的阶梯型同轴波导；进入阶梯型同轴波导的TEM模经过阶梯型同轴波导的逐阶过渡，在其末端激励出圆波导TM01模；输出端采用阶梯型圆波导结构，在保证TM01输出纯度的前提下，使同轴波导外径逐阶过渡至输出端口并实现匹配。该装置可在BJ100全波导带宽内产生模式纯度大于99.5％的TM01模式输出；并且矩形波导段长度小于95mm，圆波导段长度小于90mm，中间转换结构采用无支撑粗同轴过渡设计，器件插损小。

Description

一种紧凑矩形TE10-圆波导TM01模式转换装置
技术领域
本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种X波段矩形波导TE10模式-圆波导TM01高纯度模式转换装置，特别适合于TM01模式激励器应用场合。
背景技术
在高功率微波器件的应用中，不同器件、不同接口之间的连接问题非常普遍，当所需波形的模式和已有波形的模式不同时，就需要用模式转换器进行过渡连接。模式转换是一个广泛的概念，从理论上来说它包括一切能够实现模式转换的器件。对于大多数的高功率微波源，如相对论切伦克夫器件、回旋脉塞器件、虚阴极振荡器等等，其工作模式一般为圆波导对称体模(TE0n、TM0n)或高阶边廊模式(TEmn， m>>1，n～1,2)。这些模式有的不适宜长距离传输，有的不便于天线辐射，因此必须进行适当的模式变换。
模式激励器属于一种特殊的模式转换器，主要应用于模式转换器的输入特定模式激励，从而测试其性能。因此，要求激励器转换模式纯度高、器件插损小、工作频带宽；此外，模式激励器的加工成本、结构稳定性也须予以考虑。常规设计的TM01模式变换器工作频带较窄，相对带宽10％左右且整体结构复杂，需要介质支撑设计，器件尺寸较大；有经过改进的结构如Abdelwahed Tribak等人在“ULTRA-BROADBAND HIGH EFFICIENCY MODE CONVERTER”中设计的模式转换器，采用阶梯型同轴内导体和阶梯型矩形-同轴模式匹配结构，大幅度改善了器件相对带宽、回波损耗等特性；但另一方面，为了减小器件不连续性对期间反射以及转换效率方面的影响，该器件的同轴内导体尺寸只有1mm，实际上无法承担起该器件的“哑铃状”结构，尽管仿真结果优秀，实际应用十分受限。
发明内容
本发明提供了一种紧凑矩形TE10模式-圆波导TM01模式转换装置，该装置可在BJ100全波导带宽内产生模式纯度大于99.5％的TM01模式输出；本装置矩形波导段长度小于95mm，圆波导段长度小于 90mm；中间转换结构采用无支撑粗同轴过渡设计，器件插损很小。
本发明采用的技术方案：
一种紧凑矩形TE10-圆波导TM01模式转换装置，该装置包括：矩形波导、同轴波导、阶梯型同轴波导以及阶梯型圆波导。
所述矩形波导内设有阶梯阻抗匹配结构，其一端连接矩形波导短路面，且在短路面一侧设有圆柱形凹槽；所述矩形波导宽面开有圆形开孔，其圆心与圆柱形凹槽同轴。
所述同轴波导垂直于矩形波导宽面，同轴波导内导体插入阶梯阻抗匹配结构上的圆柱形凹槽内并与其固定连接，同轴波导外导体内半径与矩形波导上的圆形开孔半径相同；所述同轴波导另一端为阶梯型同轴波导，后接阶梯型圆波导。
进一步地，同轴波导内导体与阶梯阻抗匹配结构的连接处设置有与同轴波导内导体同轴的金属圆盘。
本实施例波导模式转换装置的工作原理如下：
从标准矩形波导输入的TE10模通过4阶阶梯转换为扁波导TE10模，然后通过侧壁馈入同轴波导耦合产生同轴TEM模并输入后接的阶梯型同轴波导；进入阶梯型同轴波导的TEM模经过阶梯型同轴波导的逐阶过渡，在其末端激励出圆波导TM01模；输出端采用阶梯型圆波导结构，在保证TM01输出纯度的前提下，使同轴波导外径逐阶过渡至输出端口并实现匹配。
本发明的优点
(1)本发明通过改进模式转换装置的结构，能够实现在BJ100 全波导带宽(8.2GHz-12.5GHz，相对带宽41.5％)内输入回波损耗大于23dB。
(2)本发明装置模式转换效率高、插损低；在全波导带宽内的最高转换效率高于99.9％，平均转换效率为99.6％，器件插损低于0.1dB。
(3)本发明模式转换装置输出TM01模式纯度高于99.5％，非常适合作为TM01模式激励器使用，可应用于一系列TM01模式转换器测试研究。
(4)本发明中间转换结构采用粗同轴过渡技术，使整体结构连接更加牢固，提升了装置稳定性；并且无须介质支撑结构，降低了转换器介质损耗。
(5)该转换装置阶梯型圆波导输出部分采用阶梯匹配技术，使得在保证输出模式纯度同时，较线性过渡结构缩小了输出长度。
附图说明
图1是激励器结构剖面示意图；
图2是矩形波导内部阶梯阻抗匹配结构俯视图；
图3是本发明模式激励器的输入驻波与输出TM01模式纯度结果。
附图标号说明：
1表示输入端口；2表示标准BJ100矩形波导；3表示阶梯阻抗匹配结构；4表示金属圆盘；5表示短路面；6表示同轴波导；7表示阶梯型同轴波导；8表示阶梯型圆波导；9表示输出端口；10表示圆柱形凹槽。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例并参照附图对本发明进一步详细说明。
本发明实施例剖面结构如图1所示，包括X波段标准BJ100矩形波导(波导尺寸：宽边长度22.86mm，窄边长度10.16mm)、同轴波导、阶梯型同轴波导以及阶梯型圆波导。
所述标准矩形波导用以传输X波段TE10基模，该标准矩形波导一段使用法兰盘与信号源对接，作为信号输入端，另一端为短路面。
所述矩形波导内设有4阶长度递增的金属阶梯阻抗匹配结构，阶梯宽与矩形波导宽边相同；其一端连接矩形波导短路面，且在短路面一侧设有圆柱形凹槽；所述矩形波导宽面开有圆形开孔，其圆心与圆柱形凹槽同轴，距标准矩形波导短路面距离为8.12mm；同轴波导内导体与阶梯阻抗匹配结构的连接处还设置有与同轴波导内导体同轴的金属圆盘，其半径为5.155mm。所述阶梯阻抗匹配结构通过切比雪夫四分之一波长阻抗匹配理论进行设计与仿真优化，最终确定4阶阶梯长度分别为34.88mm，44.25mm，53.20mm，62.83mm；高度分别为0.89mm，2.43mm，3.06mm，1.42mm。
所述同轴波导垂直于矩形波导宽面，同轴波导内导体插入阶梯阻抗匹配结构上的圆柱形凹槽内并与其固定，同轴波导外导体内半径与矩形波导上的圆形开孔半径相同；本实施例中，内导体直径为6mm；外导体内直径尺寸选择依据为优化同轴线特性阻抗为20Ω左右，本实施例中选择尺寸为8.95mm。
所述同轴波导另一端为4阶阶梯型同轴波导，后接6阶阶梯型圆波导。
为了提高器件带宽和保证高输出纯度，本发明采用阶梯型同轴波导结构，以切比雪夫多节匹配理论为指导，定量求出每阶圆波导的特性阻抗，然后根据特性阻抗适当调整同轴波导内外导体的尺寸，即可在较宽的工作频带内达到同轴阶梯前后阻抗匹配；本实施例采用4阶阶梯同轴波导，内导体半径分别为3.89mm、5.41mm、7.5mm、8.77mm，对应长度分别为5.15mm，5.3mm，4.09mm，5.28mm；外导体半径分别为7.27mm、11.90mm、17.63mm、20mm，对应长度分别为5.26mm， 4.18mm，7.26mm，4.37mm。
由附图可以看到，阶梯型同轴波导内外导体尺寸逐阶增大，但最后一阶外导体内径尺寸略小于输出圆波导的尺寸50mm，适当控制阶梯型同轴波导的尺寸可以保证TEM波的主导传输地位并防止过多杂波进入圆波导对器件整体输出纯度产生较大影响。
本发明改进了输出圆波导结构，使用6节阶梯型圆波导将阶梯型同轴波导外导体逐阶过渡至圆波导输出端口，每一节的长度在9.5mm 左右，接近于TM01模在中心频率处波导波长的四分之一。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明器件有了清楚的认识。以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本范明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种紧凑矩形TE10-圆波导TM01模式转换装置，其特征在于，该装置包括：矩形波导、同轴波导、阶梯型同轴波导以及阶梯型圆波导；
所述矩形波导内设有阶梯阻抗匹配结构，其一端连接矩形波导短路面，且在短路面一侧设有圆柱形凹槽；所述矩形波导宽面开有圆形开孔，其圆心与圆柱形凹槽同轴；
所述同轴波导垂直于矩形波导宽面，同轴波导内导体插入阶梯阻抗匹配结构上的圆柱形凹槽内并与其固定连接，同轴波导外导体内半径与矩形波导上的圆形开孔半径相同；所述同轴波导另一端为阶梯型同轴波导，后接阶梯型圆波导；
所述同轴波导内导体与阶梯阻抗匹配结构的连接处还设置有与同轴波导同轴的金属圆盘；
所述同轴波导内导体直径为6mm，外导体内直径为8.95mm。
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