CN108232375B - 一种同轴tem-扇形te-同轴tem模式变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域一种同轴TEM模式变换到扇形TE₁₀再变换到同轴TEM模式的模式变换器。本发明涉及高功率同轴波导模式变换器，将同轴输出波导中传播的TEM波通过模式变换器变换到扇形区域传输的TE₁₀模式，从而在同轴波导中产生无微波传输的区域。无微波传输区域具有两个目的：其一、同轴波导的内导体可以通过无微波传输区域与外导体固定装配在一起，实现同轴波导内外导体的可靠固定。其二、可以在无微波传输的部分区域开孔，为高功率微波放大器提供输入波导的通道。对TEM模式到TE₁₀模式变换器镜像得到一个TE₁₀模式到TEM模式的变换器。最终两个模式变换器合二为一实现TEM模式‑扇形TE₁₀‑TEM模式的变换。

Description

一种同轴TEM-扇形TE-同轴TEM模式变换器

技术领域

本发明涉及的是高功率微波技术领域，尤其是一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器。

背景技术

高功率微波是指峰值功率大于100MW，频率范围1GHz-100GHz的电磁波。由于高功率微波技术在众多领域中有重要的应用前景吸引了国内外研究者的广泛关注，并得到了快速的发展。高功率微波源的发展尤为迅猛，在相对论速调管放大器(RKA)、相对论返波振荡器(RBWO)、相对论磁绝缘线振荡器(RMILO)、相对论磁控管等方面取得了瞩目的成果。其中同轴相对论速调管放大器基于同轴结构作为高频结构的，这类器件中最大的缺点就是内导体悬空，需要在输出同轴波导中引入两排支撑杆结构对内外导体进行固定。但是，这种支撑杆仅仅作为器件的固定结构存在。另外同轴结构具有角向对称特性，无法实现内部空间的利用。为了能够取代常规的支撑杆结构和发展具有从同轴器件外部到内部的有效通道，提出新的结构是非常必要的，对于丰富同轴相对RKA的输入腔的激励技术路线和提高相对论RKA性能巨大的帮助。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种TEM-扇形TE₁₀-TEM模式变换器的技术方案，本发明具有高的低损耗、宽带宽、高功率容量等特点，不仅可以替代高功率微波源中的常规同轴支撑杆结构，而且为特殊需求的高功率微波源提供输入波导的通道。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，包括有依次连接的左侧同轴波导、左侧角向均匀分布短金属膜片、左侧角向均匀分布长金属膜片、左侧准光变换段、左侧扇形传输通道以及对称设置的右侧同轴波导、右侧角向均匀分布短金属膜片、右侧角向均匀分布长金属膜片、右侧准光变换段、右侧扇形传输通道；左侧同轴波导连接高功率微波源的高频结构；左侧角向均匀分布短金属膜片与左侧角向均匀分布长金属膜片共同作用实现将TEM模式分割为N个扇形TE₁₀模式；左侧准光变换段将大角度扇形TE₁₀模式过度到小角度扇形TE₁₀模式；左侧扇形传输通道连接左准光变换段和右侧扇形传输通道并传输小角度扇形TE₁₀模式；右侧扇形传输通道连接左侧扇形传输通道和右侧准光变换段并传输小角度扇形TE₁₀模式；右侧准光变换段将小角度扇形TE₁₀模式过渡到大角度扇形TE₁₀模式；所述右侧角向均匀分布短金属膜片和右侧角向均匀分布长金属膜片再次将大角度的TE₁₀模式分割成N个小的TE₁₀模式，并在膜片最右端直接耦合到同轴波导中的TEM模式；右侧同轴波导将变换得到的TEM模式传输到辐射系统。

作为本方案的优选：左侧同轴波导/右侧同轴波导内外半径分别为Rin和Rout，Rin和Rout满足关系式(Rout-Rin)<λ/2,λ为自由空间的波长；左侧同轴波导/右侧同轴波导长度L1需要保证整个模式变换器对器件的影响最小，一般为半个波长的整数倍。

作为本方案的优选：所述左侧角向均匀分布短金属膜片/所述左侧角向均匀分布长金属膜片/所述右侧角向均匀分布短金属膜片/所述右侧角向均匀分布长金属膜片的总数为N，N>π(Rin+Rout)/λ，实现左侧同轴波导/右侧同轴波导仅能传输TEM模式不会激励高次模式。

作为本方案的优选：所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道仅能传输扇形TE₁₀模式，所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道的角度为Ang1；所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道的长度为L5。

作为本方案的优选：所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道相邻的无微波传输区域的角度为Ang2。

作为本方案的优选：所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道和无微波传输区域在角向均匀分布，所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道与无微波传输区域的个数均为M＝360/(Ang1+Ang2),M为整数。

作为本方案的优选：所述左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片与左侧准光变换段/右侧准光变换段连接并且数目为与左侧扇形传输通道/右侧扇形传输通道的数目相等,左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片的长度为L3。

作为本方案的优选：所述左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片的数目为N-M个，所述左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片被左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片分隔开，每两片左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片之间的左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片数目为N/M-1个，左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片的长度为L2。

作为本方案的优选：所述左侧准光变换段/所述右侧准光变换段数目为M、长度为L4；所述左侧准光变换段/所述右侧准光变换段一侧为左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片，另一侧为左侧扇形传输通道/右侧扇形传输通道。

本发明中的长度L1和L3和长度L4可以通过电磁模拟软件仿真优化得到，目标优化参数为反射系数S₁₁和传输系数S₂₁。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中第一段采用了金属膜片直接分割TEM模式，并通过控制膜片的数目实现极小的反射，从而实现微波低损耗的转换为N个扇形TE₁₀模式。另一方面该方案中利用模式合成的方式控制最终产生的M个扇形TE₁₀模式，这样可以实现N与M的灵活控制，并能够保证模式的高效率传输。最后该方案中采用准光变换的方式实现不同角度扇形TE₁₀模式的过渡，极大的保证了模式的纯度和提高了模式变换器的带宽特性。

本发明涉及高功率同轴波导模式变换器，将同轴输出波导中传播的TEM波通过模式变换器变换到扇形区域传输的TE₁₀模式，从而在同轴波导中产生无微波传输的区域。无微波传输区域具有两个目的：其一、同轴波导的内导体可以通过无微波传输区域与外导体固定装配在一起，实现同轴波导内外导体的可靠固定。其二、可以在无微波传输的部分区域开孔，为高功率微波放大器提供输入波导的通道。对TEM模式到TE₁₀模式变换器镜像得到一个TE₁₀模式到TEM模式的变换器。最终两个模式变换器合二为一实现TEM模式-扇形TE₁₀-TEM模式的变换。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的模式变换器结构示意图。

图2为本发明的模式变换器的轴向结构参数图。

图3为图2的B-B向剖面图。

图4为本发明的模式变换器的反射系数S11曲线。

图5为本发明的模式变换器的传输系数S21曲线。

图中，1为左侧同轴波导，2为左侧角向均匀分布短金属片，3为左侧角向均匀分布长金属片，4为左侧准光变换段，5为左侧扇形传输通道，6为右侧同轴波导，7为右侧角向均匀分布短金属片，8为右侧角向均匀分布长金属片，9为右侧准光变换段，10为右侧扇形传输通道，11为无微波传输区域。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

通过附图可以看出，本方案的工作原理为：TEM波从左侧同轴波导引入，经过同轴波导传输一段距离L1后被14个金属膜片分割为14个扇形TE₁₀模式。14个扇形TE₁₀模式传输了距离L2后离开短金属膜片。此后长金属膜片依然存在，相邻两个长金属膜片存在2个扇形TE₁₀模式，这两个扇形TE₁₀模式进行合成得到一个大角度的扇形TE₁₀模式。大角度扇形TE₁₀模式经过准光变换段过渡为一个小角度(Ang1)扇形TE₁₀模式。至此TEM模式-扇形TE₁₀模式的变换过程已经完成，再经过扇形传输通道段后开始扇形TE₁₀模式-TEM模式的变换。扇形传输通道中的TE₁₀模式波进入准光变换段过渡为大角度的扇形TE₁₀模式。大角度扇形TE₁₀模式在膜片区域再次被分割为14个扇形TE₁₀模式，最后这14个扇形TE₁₀模式在金属膜片末端直接耦合为TEM模式。

本发明的实施例为：

选择一个Ka波导大过模比的TEM-扇形TE₁₀-TEM模式变换器，(D/λ＝8.6)，其中同轴波导的内外半径为Rin＝18.98mm、Rout＝22.48mm，中心频率为30.5GHz，工作波长为9.84mm，金属膜片数目N>13、本例中去N为14，金属膜片的厚度为1mm，扇形传输通道中单模传输的角度为Ang1小于28°，本例中Ang1取21°，无微波传输区域的扇形角度Ang2＝30.4°，扇形传输通道的数目为M<360/(Ang1+Ang2)的整数，取M＝7，L1＝20mm，L2＝5.90mm，L3＝8.0mm，L4＝8.0mm，L5＝10mm。

利用电磁模拟软件计算得到该模式变换器的端口反射系数最小值接近-66.5dB，如图5所示。该模式变换器的传输系数如图6所示，传输效率大于99％时的频率范围为29.58GHz-31.66GHz，此时的工作带宽大于2GHz，可见该模式变换器大带宽、高效率的特点。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：包括有依次连接的左侧同轴波导(1)、左侧角向均匀分布短金属膜片(2)、左侧角向均匀分布长金属膜片(3)、左侧准光变换段(4)、左侧扇形传输通道(5)以及对称设置的右侧同轴波导(6)、右侧角向均匀分布短金属膜片(7)、右侧角向均匀分布长金属膜片(8)、右侧准光变换段(9)、右侧扇形传输通道(10)；所述左侧同轴波导连接高功率微波源的高频结构，所述左侧同轴波导内外半径分别为Rin和Rout，Rin和Rout满足关系式(Rout-Rin)<λ/2,λ为自由空间的波长；所述左侧同轴波导长度L1需要保证整个模式变换器对器件的影响最小，为半个波长的整数倍；所述左侧角向均匀分布短金属膜片与左侧角向均匀分布长金属膜片共同作用实现将TEM模式分割为N个扇形TE₁₀模式，N>π(Rin+Rout)/λ；所述的左侧准光变换段将大角度扇形TE₁₀模式过度到小角度扇形TE₁₀模式；所述的左侧扇形传输通道连接左准光变换段和右侧扇形传输通道并传输小角度扇形TE₁₀模式；所述右侧扇形传输通道连接左侧扇形传输通道和右侧准光变换段并传输小角度扇形TE₁₀模式；所述右侧准光变换段将小角度扇形TE₁₀模式过渡到大角度扇形TE₁₀模式；所述右侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片再次将大角度的TE₁₀模式分割成N个小的TE₁₀模式，并在膜片最右端直接耦合到同轴波导中的TEM模式；所述的右侧同轴波导将变换得到的TEM模式传输到辐射系统；所述右侧同轴波导内外半径分别为Rin和Rout，Rin和Rout满足关系式(Rout-Rin)<λ/2,λ为自由空间的波长；所述右侧同轴波导长度L1需要保证整个模式变换器对器件的影响最小，为半个波长的整数倍。

2.根据权利要求1所述的一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：所述左侧角向均匀分布短金属膜片/所述左侧角向均匀分布长金属膜片/所述右侧角向均匀分布短金属膜片/所述右侧角向均匀分布长金属膜片的总数为N，实现左侧同轴波导/右侧同轴波导仅能传输TEM模式不会激励高次模式。

3.根据权利要求1所述的一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道仅能传输扇形TE₁₀模式，所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道的角度为Ang1；所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道的长度为L5。

4.根据权利要求3所述的一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道相邻的无微波传输区域的角度为Ang2。

5.根据权利要求4所述的一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道和无微波传输区域在角向均匀分布，所述左侧扇形传输通道/所述右侧扇形传输通道与扇形无微波传输区域的个数均为M＝360/(Ang1+Ang2),M为整数。

6.根据权利要求1所述的一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：所述左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片与左侧准光变换段/右侧准光变换段连接并且数目为与左侧扇形传输通道/右侧扇形传输通道的数目相等,左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片的长度为L3。

7.根据权利要求5所述的一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：所述左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片的数目为N-M个，左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片被左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片分隔开，每两片左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片之间的左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片数目为N/M-1个，左侧角向均匀分布短金属膜片/右侧角向均匀分布短金属膜片的长度为L2。

8.根据权利要求5所述的一种同轴TEM-扇形TE₁₀-同轴TEM模式变换器，其特征是：所述左侧准光变换段/所述右侧准光变换段数目为M、长度为L4；所述左侧准光变换段/所述右侧准光变换段一侧为左侧角向均匀分布长金属膜片/右侧角向均匀分布长金属膜片，另一侧为左侧扇形传输通道/右侧扇形传输通道。

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