CN110323522A

CN110323522A - 一种基于H-T接头功分网络的TE10-TEn0的模式变换器

Info

Publication number: CN110323522A
Application number: CN201910447076.1A
Authority: CN
Inventors: 舒国响; 何文龙; 熊浩; 刘国
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: CN110323522B

Abstract

本发明提供了一种基于H‑T接头功分网络的TE₁₀‑TE_n0的模式变换器，包括输入端口、输入波导、(n‑1)个H‑T接头、3*(n‑1)个匹配台阶、n个分支、输出端口，所述n个分支波导汇合而成过模输出波导，基模TE₁₀从输入端口输入，通过模式转换在输出端口输出TE_n0模。本发明的有益效果为：(1)通过优化获得相邻分支等幅反相的电磁波特性，有利于提高模式变换效率；(2)通过引入匹配台阶，有利于降低端口反射系数；(3)通过改变分支个数n可以获得工作在TE_n0模的模式变换器；(4)能够为高阶过模平面慢波结构的冷腔测试提供模式变换装置。

Description

一种基于H-T接头功分网络的TE10-TEn0的模式变换器

[技术领域]

本发明属于微波技术、真空电子技术领域，具体涉及一种用于毫米波/太赫兹带状电子注器件高阶模平面慢波结构冷腔测试的模式变换器。

[背景技术]

毫米波/太赫兹波具有波长短、频率高、带宽宽等特点，在安检成像、无损检测、生物医学、高数据率通信和高精度雷达探测等众多应用领域具有广泛的应用前景。太赫兹源是太赫兹应用系统的基础，是不可或缺的核心电子器件。带状注器件由于具有大的电子注面积、利于加工和集成的二维平面慢波结构以及高的输出功率，是一种具有发展前景的毫米波/太赫兹放大器/振荡器。当带状注器件工作在高阶模时，高阶模平面慢波结构的几何尺寸将增大，从而有利于提高散热面积和功率容量。另外，高阶模平面慢波结构适合和多带状电子注进行互作用，从而有利于提高整管的输出功率。在(“基于正交栅齿波导和多带状电子注的高阶模太赫兹辐射源的模拟研究”(Opt.Express)，2018年，26卷，7期，8040-8048页，作者：G.X.Shu,G.Liu,and Z.F.Qian)和(“基于高阶模和带状双电子注的太赫兹返向波辐射”(J.Phys.D Appl.Phys.)，2018年，51卷，5期，055107-1-055107-6页，作者：G.X.Shu,G.Liu,L.Chen等)中，分别研究了工作在高阶模的金属柱加载的单栅慢波结构和金属脊加载的交错栅慢波结构。

冷腔测试是研究慢波结构的一种重要手段之一，通常采用矢量网络分析仪进行测试。由于矢量网络分析仪输出的电磁波工作在基模，当对高阶模平面慢波结构进行冷腔测试时，需要利用模式变换器首先将基模TE₁₀模转换为高阶模TE_n0(n＝2,3,4...)模，否则无法进行冷腔测试。模式变换器是高阶模平面慢波结构冷腔测试不可或缺的重要器件之一。它的性能好坏将直接影响高阶模平面慢波结构冷腔测试的准确度。一个优良的模式变换器需要具备低端口反射和高转换效率等特性。本发明提出了一种基于H面T型(H-T)接头功分网络的TE₁₀-TE_n0的模式变换器。

[发明内容]

本发明的目的在于：在H-T接头功分网络的基础上，通过采用匹配台阶来降低端口反射，通过优化设计使得在相邻分支传播的电磁波具有等幅反相的特性，从而获得低端口反射系数和高模式转换率的TE₁₀-TE_n0的模式变换器。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE_n0的模式变换器，包括输入端口、输入波导、(n-1)个H-T接头、3*(n-1)个匹配台阶、n个分支、输出端口，所述n个分支波导汇合而成过模输出矩形波导，基模TE₁₀从输入端口输入，通过模式转换在输出端口输出TE_n0模。由H-T接头的电磁波特性可知：当电磁波从H-T接头的主分支波导输入时，将在H-T接头的两个次分支波导获得等幅同相的电磁波。

进一步地，调整每个分支的电磁波传输路径长度d_n，使得相邻分支的电磁波传输路径长度之差为半波导波长的整数倍，从而使得相邻分支的电磁波具有等幅反相的特性。

进一步地，在和每个H-T接头相连的3个分支波导处加载3个匹配台阶。

进一步地，每个H-T接头的主分支波导的末端不和2个次分支波导的H面齐平，主分支波导将向内缩进一段长度L。

进一步地，在每个分支的直角拐弯处倒圆弧角。

本发明的有益效果为：

(1)通过优化获得相邻分支等幅反相的电磁波特性，有利于提高模式变换效率；

(2)通过引入匹配台阶，有利于降低端口反射系数；

(3)通过改变分支个数n可以获得工作在TE_n0模的模式变换器；

(4)能够为高阶过模平面慢波结构的冷腔测试提供模式变换装置。

[附图说明]

图1是本发明实施例1中基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE₂₀的模式变换器的结构示意图；

其中，101表示输入端口；102表示主分支波导；103表示H-T接头；104表示第一匹配台阶；105表示第二匹配台阶；106表示第三匹配台阶；107表示第一次分支波导；108表示第二次分支波导；109表示过模输出矩形波导；110表示输出端口。

图2是本发明实施例2中基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE₄₀的模式变换器的结构示意图；

其中，201表示输入端口；202表示第一主分支波导；203表示第一H-T接头；204表示第一匹配台阶；205表示第二匹配台阶；206表示第三匹配台阶；207表示第一次分支波导；208表示第二次分支波导；209表示第二主分支波导；210表示第二H-T接头；211表示第四匹配台阶；212表示第五匹配台阶；213表示第六匹配台阶；214表示第三次分支波导；215表示第四次分支波导；216表示第三主分支波导；217表示第三H-T接头；218表示第七匹配台阶；219表示第八匹配台阶；220表示第九匹配台阶；221表示第五次分支波导；222表示第六次分支波导；223表示过模输出矩形波导；224表示输出端口。

图3是本发明实施例1中基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE₂₀的模式变换器输入端口和输出端口的反射系数的幅频特性曲线；

图4是本发明实施例1中基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE₂₀的模式变换器的模式转换效率曲线；

图5是本发明实施例2中基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE₄₀的模式变换器输入端口和输出端口的反射系数的幅频特性曲线；

图6是本发明实施例2中基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE₄₀的模式变换器的模式转换效率曲线。

[具体实施方式]

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例以工作在W频段的基于H-T接头二功分网络的TE₁₀-TE₂₀的模式变换器为例。其结构如图1所示，主要包括：用以输入基模TE₁₀的输入端口101，和输入端口101相连的主分支波导102，1个H-T接头103，H-T接头103处的三个匹配台阶，分别为第一匹配台阶104、第二匹配台阶105和第三匹配台阶106，和H-T接头103相连的第二匹配台阶105连接第一次分支波导107,第三匹配台阶106连接第二次分支波导108，上述2个次分支波导汇合而成的过模输出矩形波导109，输出端口110。

电磁波经过输入端口101馈入上述H-T功分网络将功率进行一分为二。电磁波将通过2个分支进行输出，分别为分支1和分支2。其中分支1包括第二匹配台阶105、第一次分支波导107。分支2包括第三匹配台阶106、第二次分支波导108。从输入端口101输入的TE₁₀模，经过二路功分网络，在分支1和2处获得两路等幅反相的电磁波，并在过模输出矩形波导处转变为TE₂₀模。在H-T接头103处，由于不连续性的引入，容易引起端口反射。为了降低该端口反射，在H-T接头103处引入了3个匹配台阶。

图3给出了本实施例提供的模式变换器的输入端口的TE₁₀模的反射系数(S1(1),1(1))、输出端口的TE₂₀模反射系数(S2(2),2(2))的幅频特性曲线。由图3可知：在235.6-280.9GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为45.3GHz。在231.8-273.6GHz频率范围内，S2(2),2(2)小于-15dB,带宽为41.7GHz。

图4给出了本实施例提供的模式变换器的模式转换效率曲线。由图4可知：在230-280GHz的频率范围内，模式转换效率均高于91％。在235.8-276.4GHz的频率范围内，模式转换效率达到95％以上。

实施例2

本实施例以工作在W频段的基于H-T接头四功分网络的TE₁₀-TE₄₀的模式变换器为例。其结构如图2所示,整体主要包括：用以输入基模TE₁₀的输入端口201，3个H-T接头，每个H-T接头均一分为二和2个分支波导相连，每个H-T接头处具有3个匹配台阶，共9个匹配台阶。整个H-T接头功分网络具有4路分支。4路分支最终汇合成了一个过模输出矩形波导。在相邻分支处传输的TE₁₀模具有等幅反相的特性，最后在过模输出矩形波导处转换为TE₄₀模进行输出。同样地，为了降低该端口反射，在3个H-T接头处共引入了9个匹配台阶。

具体为，输入端口201所在的第一主分支波导202连接第一H-T接头203，所述第一H-T接头203连接第一匹配台阶204、第二匹配台阶205、第三匹配台阶206，此时相对于第一主分支波导202而言，分出的左右两路通过匹配台阶分别形成第一次分支波导207和第二次分支波导208。且每个分支呈直角形状，并在分支末端再次一分为二。

第一次分支波导207通过直角弯折结构后进行再次功分，在末端设置第二H-T接头210。第二H-T接头210具有3个分支波导。第一次分支波导207通过直角弯折结构后作为第二主分支波导209，另外2个分支波导为第三次分支波导214和第四次分支波导215。在第二H-T接头210处具有3个匹配台阶，分别为第四匹配台阶211、第五匹配台阶212和第六匹配台阶213。

同理，第二次分支波导208通过直角弯折结构后进行再次功分，在末端设置第二H-T接头217。第二H-T接头217具有3个分支波导。第二次分支波导208通过直角弯折结构后作为第三主分支波导216，另外2个分支波导为第五次分支波导221和第六次分支波导222。在第二H-T接头217处具有3个匹配台阶，分别为第七匹配台阶218、第八匹配台阶219和第九匹配台阶220。

电磁波经过输入端口201馈入上述H-T功分网络将功率进行一分为四。电磁波将通过4个分支进行输出，分别为分支1、分支2、分支3、分支4。其中分支1包括第二匹配台阶205、第一次分支波导207、第二主分支波导209、第二H-T接头210、第四匹配台阶211、第五匹配台阶212、第三次分支波导214。分支2包括第二匹配台阶205、第一次分支波导207、第二主分支波导209、第二H-T接头210、第四匹配台阶211、第六匹配台阶213、第五匹配台阶215。分支3包括第三匹配台阶206、第二次分支波导208、第三主分支波导216、第三H-T接头217、第七匹配台阶第八匹配台阶218、第八匹配台阶219、第五次分支波导221。分支4包括第三匹配台阶206、第二次分支波导208、第三主分支波导216、第三H-T接头217、第七匹配台阶第八匹配台阶218、第九匹配台阶220、第六次分支波导222。

最终，分支1、分支2、分支3、分支4汇合成了一个过模输出矩形波导223，通过输出端口224输出。

图5给出了本实施例提供的模式变换器的输入端口的TE₁₀模的反射系数(S1(1),1(1))、输出端口的TE₄₀模反射系数(S2(4),2(4))的幅频特性曲线。由图3可知：在80.8-97.0GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为16.2GHz。在81.4-98.5GHz频率范围内，S2(4),2(4)小于-15dB,带宽为17.1GHz。S1(1),1(1)和S2(4),2(4)小于-10dB的带宽分别为27.7GHz和28.4GHz。

图6给出了本实施例提供的模式变换器的模式转换效率曲线。由图3可知：在80-88.0GHz的频率范围内，模式转换效率高于90％。在80.9-86.7GHz的频率范围内，模式转换效率高于95％。

以上实例仅为方便说明本发明，本发明适用于微波至亚毫米波的多个频带，包括X、Ku、Ka、Q、W、D和G频段等。

本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明广泛描述的精神和范围的情况下，可以对在本发明所示的具体实施方式进行多个变形或修改。因此，所述的实施方式从所有方面考虑应被认为是说明性的而不是限制性的。

除非特别说明，对于在此所包含的现有技术的任何参考不应该被认为是对该信息为公知常识的承认。

Claims

1.一种基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE_n0的模式变换器，其特征在于，包括输入端口、输入波导、(n-1)个H-T接头、3*(n-1)个匹配台阶、n个分支、输出端口，所述n个分支波导汇合而成过模输出波导，基模TE₁₀从输入端口输入，通过模式转换在输出端口输出TE_n0模。

2.根据权利要求1所述的一种基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE_n0的模式变换器，其特征在于，调整每个分支的电磁波传输路径长度d_n，使得相邻分支的电磁波传输路径长度之差为半波导波长的整数倍，从而使得相邻分支的电磁波具有等幅反相的特性。

3.根据权利要求1所述的一种基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE_n0的模式变换器，其特征在于，在和每个H-T接头相连的3个分支波导处加载3个匹配台阶。

4.根据权利要求1所述的一种基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE_n0的模式变换器，其特征在于，每个H-T接头的主分支波导的末端不和2个次分支波导的H面齐平，主分支波导将向内缩进一段长度d。

5.根据权利要求1所述的一种基于H-T接头功分网络的TE₁₀-TE_n0的模式变换器，其特征在于，在每个分支的直角拐弯处倒圆弧角。