CN108682961B - 一种基于tm01模的圆波导漏波缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，包括波导模式转换器和圆波导漏波缝隙天线，波导模式转换器包括模式为TE10模的输入矩形波导、耦合结构以及模式为TM01模的输出圆波导；输出圆波导垂直安装在输入矩形波导的宽边上，并通过输入矩形波导宽边的圆孔与输入矩形波导连通；耦合结构将所述输入矩形波导的TE10模能量耦合至输出圆波导的TM01模，在TM01模的圆波导上实现漏波天线。本发明采用模式转换器将矩形波导的TE10模转换为圆波导的TM01模，利用圆波导TM01模式的圆周方向均匀性，在其壁上开缝隙后，输入匹配好，实现了圆周方向均匀辐射；矩形波导内的柱状耦合结构将矩形波导TE10模转换为圆波导的TM01模，结构简单，调试量小。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别地涉及一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线。
背景技术
在微波加热应用中，一种典型的情况是被加热物质盛放于圆柱形容器(微波能应用器)中，圆周方向均匀分布，微波能通过位于微波能应用器轴线上的漏波天线辐射到四周的被加热物质中。作为工业加热应用设备，所需微波功率大多为几十千瓦至百千瓦的量级，因此漏波天线的主传输线一般采用波导形式，是一种波导漏波天线。由于微波能应用器是圆周对称的，希望波导漏波天线的辐射特性在圆周方向也是对称的，保证圆周方向上场分布均匀，从而产生均匀的加热效果。一种合理的方案是选用圆波导，并令其工作于圆周对称模式。
圆波导的主模为TE11模，如图1(a)所示，其磁场强度沿圆周方向有一个周期的变化，因此波导壁上的电流沿着圆周方向是不均匀的；在TE11模的圆波导壁上开缝隙时，其辐射特性自然也会沿圆周方向变化；圆波导的第二个工作模式为TM01，其场分布如图1(b)所示，横截面内电场为同心圆分布，磁场沿圆周方向均匀，是理想的工作模式。微波能量传输系统一般采用TE10模的矩形波导，因此要求漏波天线的输入端口为矩形波导，需要将矩形波导的TE10模转换为漏波天线所需的TM01模。
传统的波导漏波天线多用于雷达和通信系统，要求具有特定的、非全向的远场方向图，一般采用工作于TE10模的矩形波导做为漏波天线的主传输线，现有成熟的设计综合方法也只针对该类型的应用，尚未有公开的设计和相关设备能满足上述微波加热应用的需求。
发明内容
本发明的目的是实现圆周方向均匀辐射的波导漏波天线，而提出的一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，解决了圆周方向辐射的不均匀性的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，包括波导模式转换器和圆波导漏波缝隙天线，所述波导模式转换器包括模式为TE10模的输入矩形波导、耦合结构以及模式为TM01模的输出圆波导；所述输出圆波导垂直安装在输入矩形波导的宽边上，并通过输入矩形波导宽边的圆孔与输入矩形波导连通；所述耦合结构将所述输入矩形波导的TE10模能量耦合至输出圆波导的TM01模，在TM01模的圆波导上实现漏波天线。
优选的，所述耦合结构位于输入矩形波导与输出圆波导连通的区域，其包括底座、耦合柱以及模式抑制环；所述耦合结构的轴线与所述输出圆波导轴线重合；所述底座固定于位于输入矩形波导底部宽边上，所述耦合柱一端与所述底座连接，另一端探入所述输出圆波导内一定深度。
优选的，所述模式抑制环为具有一高度的金属圆环，通过绝缘介质安装在所述耦合柱端头，且位于所述输出圆波导内；所述输入矩形波导的一端口为所述天线的总输入口，另一端口短路，短路面离开所述耦合结构中心线一定距离；所述输出圆波导的另一端与所述圆波导漏波缝隙天线连接。
优选的，所述圆波导漏波缝隙天线包括主传输波导、漏波缝隙以及调谐结构；主传输波导为工作于TM01模式的圆波导；该漏波缝隙位于主传输波导壁上，将波导内、外空间连通，所述漏波缝隙呈狭长状，其长轴方向与圆波导轴线之间具有一夹角，二者不平行；所述调谐结构位于主传输波导上。
优选的，所述漏波缝隙包括多条沿圆周方向等间距分布、同时沿圆波导轴线方向也可以周期分布的缝隙。
优选的，所述模式抑制环内安装两块聚四氟乙烯的半圆环，该聚四氟乙烯半圆环抱卡在所述耦合柱一端的浅槽内，模式抑制环通过过盈配合将聚四氟乙烯半圆环紧固。
优选的，所述耦合结构中的底座为锥台形，锥台的底部安装固定在所述输入矩形波导底部宽边上；所述锥台形底座中心有螺纹孔，所述耦合柱通过螺纹与锥台形底座连接固定。
优选的，所述耦合柱内部为空腔，与所述底座固定端有进水和出水口，工作时由进水口将低温冷却水泵入耦合柱内部空腔，热交换后由出水口排出。
优选的，所述漏波缝隙为狭长的矩形，长边与所述主传输波导轴线垂直。
优选的，所述圆波导漏波缝隙天线由若干段结构形式相似，但漏波缝隙尺寸不同的天线拼接而成。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，采用模式转换器将矩形波导的TE10模转换为圆波导的TM01模，利用圆波导TM01模式的圆周方向均匀性，在其壁上开缝隙后，输入匹配好，实现了圆周方向均匀辐射；矩形波导内的柱状耦合结构将矩形波导TE10模转换为圆波导的TM01模，结构简单，调试量小。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1(a)为现有技术的圆波导TE11模横截面场分布示意图；
附图1(b)为现有技术的圆波导TM01模横截面场分布示意图；
附图2为本发明实施例的结构示意图；
附图3(a)和(b)为本发明实施例耦合结构示意图；
附图4为本发明耦合结构的另一状态结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，如图2所示，包括波导模式转换器1和圆波导漏波缝隙天线2。
本实施例的波导模式转换器1包括输入矩形波导11、耦合结构12和输出圆波导13；其中：输入矩形波导11的一个端口111有法兰盘，作为本实施例天线的总输入端，另一端口112用金属板封闭为短路面；输入矩形波导11的上部宽边开有圆孔113；
输出圆波导13垂直安装在输入矩形波导11的上部宽边上，其轴线与圆孔113的轴线重合，并通过圆孔113与矩形波导11连通；输出圆波导的另一端131与圆波导漏波缝隙天线2连接；
如附图3(a)(b)所示的耦合结构12将输入矩形波导11中TE10模的能量耦合至输出圆波导12的TM01模式；该耦合结构位于输出圆波导13的轴线上，具体结构如图3所示，包括底座31、耦合柱32、模式抑制环33和支撑介质34；本实施例的底座31为锥台形，锥台底部安装固定在输入矩形波导11底部宽边上，锥台中心有螺纹孔；耦合柱32的一端车有螺纹，旋入底座31中心的螺纹孔内，实现与底座的安装固定，另一端通过圆孔113探入输出圆波导13内一定深度；耦合柱32的底部与输入矩形波导TE10模的磁场作用，产生感应电流，该感应电流传输到耦合柱32的末端时，形成位移电流，与输出圆波导TM01模的电场耦合，从而实现模式转换；模式抑制环33是有一定高度的金属圆环，安装固定于耦合柱32的末端，位于输出圆波导13内，它的作用是破坏圆波导的TE11模式的传播条件，而不影响TM01模的场分布，从而达到模式抑制的作用；本实施例中模式抑制环33的内部有两个半圆环状的介质支撑34，如附图4所示，介质支撑34抱卡在耦合柱32末端的浅槽321上，模式抑制环33通过过盈配合将介质支撑34紧固。本实施例的介质支撑采用聚四氟乙烯材料，也可以采用陶瓷，或其它绝缘微波介质。介质支撑34的形状也可以是其它可以将模式抑制环与耦合柱紧固连接的结构。
耦合结构中，底座31的尺寸和耦合柱32的直径要根据结构强度和加工实现的方便性来确定；由工作频率和输出圆波导13的直径，调整耦合柱的高度、模式抑制环的尺寸以及输入矩形波导短路面112与耦合结构12轴线线的距离，实现良好的端口匹配和最小的模式转换损耗。
本实施例的圆波导漏波缝隙天线2包括主传输波导21，漏波缝隙22和调谐结构23；其中主波导21为圆波导，其输入端口211的直径与模式转换器输出口131的直径相同，二者紧密连接；漏波缝隙22位于主波导21壁上，为狭长形状的孔，将主传输波导的内部和外部空间连通；本实施中漏波缝隙22呈细长的矩形，矩形的长边与主传输波导21的轴线垂直；漏波缝隙22由多个细长矩形孔组成，这些细长孔沿圆周方向等间距分布，沿主传输波导21的轴线方向按一定周期分布；漏波缝隙22沿圆周方向的长度、数目、沿主传输波导轴线方向的高度和数目根据漏波天线的漏波衰减常数确定，不作为本发明的技术特征；调谐结构23是位于缝隙分布区域两侧的两段圆波导，该圆波导的直径小于主传输波导输入口211的直径，长度需根据漏波衰减常数和工作频率设计调整；主传输波导21的另一个端口212根据实际需要可以连接短路器，也可以连接吸收负载，还可以连接多个结构相似，具有不同漏波衰减常数的圆波导漏波缝隙天线，端口212的连接状态同样不作为本发明的技术特征。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于：包括波导模式转换器和圆波导漏波缝隙天线，所述波导模式转换器包括模式为TE10模的输入矩形波导、耦合结构以及模式为TM01模的输出圆波导；所述输出圆波导垂直安装在输入矩形波导的宽边上，并通过输入矩形波导宽边的圆孔与输入矩形波导连通；所述耦合结构将所述输入矩形波导的TE10模能量耦合至输出圆波导的TM01模，在TM01模的圆波导上实现漏波天线；所述耦合结构位于输入矩形波导与输出圆波导连通的区域，其包括底座、耦合柱以及模式抑制环；所述耦合结构的轴线与所述输出圆波导轴线重合；所述底座固定于位于输入矩形波导底部宽边上，所述耦合柱一端与所述底座连接，另一端探入所述输出圆波导内一定深度。
2.根据权利要求1所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于：所述模式抑制环为具有一高度的金属圆环，通过绝缘介质安装在所述耦合柱端头，且位于所述输出圆波导内；所述输入矩形波导的一端口为所述天线的总输入口，另一端口短路，短路面离开所述耦合结构中心线一定距离；所述输出圆波导的另一端与所述圆波导漏波缝隙天线连接。
3.根据权利要求1所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于：所述圆波导漏波缝隙天线包括主传输波导、漏波缝隙以及调谐结构；主传输波导为工作于TM01模式的圆波导；该漏波缝隙位于主传输波导壁上，将波导内、外空间连通，所述漏波缝隙呈狭长状，其长轴方向与圆波导轴线之间具有一夹角，二者不平行；所述调谐结构位于主传输波导上。
4.根据权利要求3所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于：所述漏波缝隙包括多条沿圆周方向等间距分布、同时沿圆波导轴线方向周期分布的缝隙。
5.根据权利要求1或2所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于：所述模式抑制环内安装两块聚四氟乙烯的半圆环，该聚四氟乙烯半圆环抱卡在所述耦合柱一端的浅槽内，模式抑制环通过过盈配合将聚四氟乙烯半圆环紧固。
6.如权利要求1所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于：所述耦合结构中的底座为锥台形，锥台的底部安装固定在所述输入矩形波导底部宽边上；所述锥台形底座中心有螺纹孔，所述耦合柱通过螺纹与锥台形底座连接固定。
7.如权利要求1或6所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于，所述耦合柱内部为空腔，与所述底座固定端有进水和出水口，工作时由进水口将低温冷却水泵入耦合柱内部空腔，热交换后由出水口排出。
8.如权利要求3或4所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于，所述漏波缝隙为狭长的矩形，长边与所述主传输波导轴线垂直。
9.如权利要1或3或4所述的基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线，其特征在于，所述圆波导漏波缝隙天线由若干段结构形式相似，但漏波缝隙尺寸不同的天线拼接而成。
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