CN110444847A - 一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器，包括端口一，输入矩形波导，匹配台阶，第一、第二过渡矩形波导，第一反射谐振腔，(n‑1)个分支波导，过模输出波导，电子注通道，第二反射谐振腔，端口二，端口三；匹配台阶位于输入矩形波导和第一过渡矩形波导之间，第一过渡矩形波导末端设有第二过渡矩形波导，在第二过渡矩形波导下方设有第一反射谐振腔，第一过渡矩形波导的E面下方并排放置(n‑1)个分支波导，且多个分支波导连接一个过模输出波导，(n‑1)个分支波导下方与过模输出波导一侧连接有一个电子注通道。本发明结构不仅具有模式变换的特性，而且还能够实现注波分离/汇合，能够为高阶过平面慢波结构提供功率耦合装置。

Description

一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器

[技术领域]

本发明属于太赫兹技术、真空电子技术领域，具体涉及一种用于毫米波/太赫兹高阶过模行波管/返波管的功率耦合器。

[背景技术]

基于高阶模平面慢波结构的带状多注行波管/返波管是产生和放大太赫兹波的一种重要技术途径。本专利的第一发明人提出了两种新型的高阶模平面慢波结构。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)提出了金属柱加载的单栅慢波结构。在(“基于高阶模和带状双电子注的太赫兹返向波辐射”(J.Phys.DAppl.Phys.)，2018年，51卷，5期，055107-1-055107-6页，作者：G.X.Shu,G.Liu,L.Chen等)中，提出了金属脊加载的交错栅慢波结构。虽然上述两篇文章对高阶过模平面慢波结构进行了分析和设计，但与高阶过模平面慢波结构相连的功率耦合器却尚未提出。高阶过模功率耦合器不仅需要将基模TE^□ ₁₀模转换为高阶模，而且还需要能够实现电子注和电磁波的分离或汇合。当作为行波管的输入耦合器时，负责将管外信号源的功率馈入至慢波结构。当作为行波管/返波管的输出耦合器时，负责将管内的功率进行输入/输出。据发明人所知，关于高阶过模功率耦合器的文献很少。虽然文献(“W波段前瓦级过模行波管的研究”(8th UK,Europe,China Millimeter Waves and THz Technology Workshop)，2016年，作者：Y.F.Hu,J.J.Feng)为高阶模平面慢波结构设计了一个模式变换器，但是该器件并不能实现注波分离/汇合。本专利的第一发明人为基模平面慢波结构提出了一个Y形分支波导耦合器(“带状注行波管超宽带输入/输出结构的设计和测试”(Review of ScientificInstruments)2015.86卷，6期.064703-1-064703-7页，作者：G.X.Shu,J.X.Wang,G.Liu,等)，然而该耦合器虽然能够实现注波分离或汇合，但不具备模式变换的功能。高阶过模耦合器需兼具模式变换特性和功率耦合特性，它的性能好坏将直接影响着整管的性能。一个优良的高阶过模功率耦合器需要具备低端口反射、高隔离度和高转换效率等特性。因此本发明提出了一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器。

[发明内容]

本发明的目的在于：提供一种高阶过模功率耦合器，其基于多分支波导结构实现模式变换，并通过构建电子注通道和反射腔来引入隔离端口，实现电子注和电磁波的汇合或分离。另外，通过反射腔和匹配台阶的引入来提高高阶模功率耦合器的模式变换、端口反射和隔离特性。所提出的高阶过模功率耦合器兼具模式变换特性和功率耦合特性。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器，包括端口一、输入矩形波导、匹配台阶、第一过渡矩形波导、第二过渡矩形波导、第一反射谐振腔、(n-1)个分支波导、过模输出波导、电子注通道、第二反射谐振腔、端口二、端口三；所述匹配台阶位于输入矩形波导和第一过渡矩形波导之间，所述第一过渡矩形波导末端连接第二过渡矩形波导，在第二过渡矩形波导设有第一反射谐振腔，所述第一过渡矩形波导的E面下方并排放置(n-1)个分支波导，所述(n-1)个分支波导连接一个过模输出波导，所述(n-1)个分支波导下方与过模输出波导一侧连接有一个电子注通道。基模TE^□ ₁₀从端口一1输入，经过第一过渡矩形波导，耦合分配至(n-1)个分支波导，在每个分支波导中获得了反相的电磁波，(n-1)个分支波导中的反相电磁波在过模输出波导中相汇合，并激励起TE_n0模。电子注从端口三馈入/收集，经过电子注通道，与TE^□ _n0模实现注波汇合/分离。

进一步地，还设有第二反射谐振腔，所述第二反射谐振腔位于电子注通道的下方，用于提高耦合器的隔离系数和传输系数。

进一步地，调整第m和(m-1)分支波导的间距d_(m-1)(m＝2,3,…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奇数倍，从而能够保证在相邻分支波导传播的电磁波具有180°的相位差。

本发明的有益效果为：

(1)通过引入匹配台阶降低端口一的反射系数，有利于降低由于端口反射对信号源所带来的不利影响；

(2)通过引入第一反射谐振腔提高端口1和端口2之间的传输效率，有利于增大带状注行波管/返波管的输出功率和电子效率，对于带状行波管，还有利于增加整管的增益。

(3)通过引入第二反射谐振腔提高端口一和端口三之间的隔离系数，有利于降低带状注行波管/返波管的微波泄露风险。

(4)通过优化分支波导之间的距离获得相邻分支相位相反的电磁波特性，提高工作模式的转换效率，有利于抑制模式竞争，降低产生振荡的风险。

(5)该结构具有较好的模式扩展性，能够通过改变分支个数来工作在不同的模式。

(6)上述方案能够为高阶过平面慢波结构提供功率耦合装置。

[附图说明]

图1是本发明实施例1中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₂₀高阶过模功率耦合器的结构示意图；

其中，1表示端口一；2表示输入波导；3表示匹配台阶；4表示第一过渡矩形波导；5表示第二过渡矩形波导；6表示第一反射谐振腔；7表示分支波导；8表示过模输出波导；9表示电子注通道；10表示第二反射谐振腔；11表示端口二；12表示端口三。

图2是本发明实施例2中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₅₀高阶过模功率耦合器的结构示意图；

其中，1表示端口一；2表示输入波导；3表示匹配台阶；4表示第一过渡矩形波导；5表示第二过渡矩形波导；6表示第一反射谐振腔；71表示第一多分支波导；72表示第二多分支波导；73表示第三多分支波导；74表示第四多分支波导；8表示过模输出波导；9表示电子注通道；10表示第二反射谐振腔；11表示端口二；12表示端口三。

图3是本发明实施例1中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₂₀高阶过模功率耦合器端口一和端口二的反射系数的幅频特性曲线；

图4是本发明实施例1中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₂₀高阶过模功率耦合器的模式转换效率曲线；

图5是本发明实施例1中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₂₀高阶过模功率耦合器端口三的隔离特性曲线。

图6是本发明实施例2中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₅₀高阶过模功率耦合器端口一和端口二的反射系数的幅频特性曲线；

图7是本发明实施例2中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₅₀高阶过模功率耦合器的模式转换效率曲线。

图8是本发明实施例2中基于多分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₅₀高阶过模功率耦合器端口三的隔离特性曲线。

[具体实施方式]

下面结合实施例对本发明做进一步说明，需要说明的是，若出现术语指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例以工作在太赫兹波段的基于二分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₂₀高阶过模功率耦合器为例。其结构如图1所示，主要包括：用以输入基模TE^□ ₁₀的端口一1，和端口一1相连的输入波导2，匹配台阶3，第一过渡矩形波导4，和第一过渡矩形波导4相连的一个分支波导7，和分支波导7相连的过模输出波导8，同时与第一过渡矩形波导4还连接一个第二过渡矩形波导5。第一反射谐振腔6，1个用于电子注通过的电子注通道9，用于提高隔离度的第二反射谐振腔10，1个端口二11和1个端口三12。

图3给出了本实施例提供的耦合器的端口一1的TE^□ ₁₀模的反射系数(S1(1),1(1))、端口二11的TE^□ ₂₀模的反射系数(S2(2),2(2))的幅频特性曲线。由图3可知：在222.5-243.7GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为21.2GHz。在223.6-243.5GHz频率范围内，S2(2),2(2)小于-15dB,带宽为19.9GHz。S1(1),1(1)和S2(2),2(2)小于-10dB的带宽分别为24.5GHz和22.9GHz。

图4给出了本实施例提供的耦合器的转换效率曲线。由图4可知：在223.3-244.0GHz的频率范围内，S2(2),1(1)转化效率高于95％，带宽为20.7GHz。在221.7-244.6GHz频率范围内，S2(2),1(1)转化效率高于90％，带宽为22.9GHz。

图5给出了本实施例提供的耦合器的隔离特性曲线。由图8可知：在224.5-250.0GHz的频率范围内，S3(2),1(1)小于-15dB，带宽为25.5GHz。

实施例2

本实施例以工作在太赫兹波段的基于四分支波导的TE^□ ₁₀-TE^□ ₅₀高阶过模功率耦合器为例。其结构如图2所示,主要包括：用以输入基模TE^□ ₁₀的端口一1，1个输入矩形波导2，1个用于减少端口反射的匹配台阶3，与匹配台阶3相连的第一过渡矩形波导4，和第一过渡矩形波导4相连的第一过渡矩形波导5，在第一过渡矩形波导5下方的第一反射谐振腔6，4个多分支波导分别为第一多分支波导71，第二多分支波导72，第三多分支波导73，第四多分支波导74，1个过模输出波导8，1个用于电子注通过的电子注通道9，1个用于提高隔离度的第二反射谐振腔10，1个端口二11和1个端口三12。调整第m和(m-1)分支波导的间距d_(m-1)(m＝2,3,4)，使得相邻分支的电磁波具有反相的特性。在本实施例中，d₁、d₂和d₃相等，均为0.75mm。

TE^□ ₁₀模和TE^□ _n0模本质区别在于：在宽边方向上，半驻波个数分别为1和n，相邻半驻波的相位刚好相差180°。因此，电磁通过(n-1)分支波导后，工作模式将由TE^□ ₁₀模变为TE^□ _n0模。

图6给出了本实施例提供的耦合器的端口一1的TE^□ ₁₀模的反射系数(S1(1),1(1))、端口二11的TE^□ ₅₀模的反射系数(S2(5),2(5))的幅频特性曲线。由图6可知：在231.2-244.0GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为12.8GHz。在231.2-243.7GHz频率范围内，S2(5),2(5)小于-15dB,带宽为12.5GHz。S1(1),1(1)和S2(5),2(5)小于-10dB的带宽分别为15.6GHz和15.3GHz。

图7给出了本实施例提供的耦合器的转换效率曲线。由图7可知：在230.9-244.6GHz的频率范围内，S2(5),1(1)转化效率高于95％，带宽为13.7GHz。在230.8-245.5GHz频率范围内，S2(5),1(1)转化效率高于90％，带宽为14.7GHz。

图8给出了本实施例提供的耦合器的隔离特性曲线。由图8可知：在226.6-248.8GHz的频率范围内，S3(5),1(1)小于-25dB，带宽为22.2GHz。

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 (3)

1.一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器，其特征在于：包括端口一、输入矩形波导、匹配台阶、第一过渡矩形波导、第二过渡矩形波导、第一反射谐振腔、(n-1)个分支波导、过模输出波导、电子注通道、第二反射谐振腔、端口二、端口三；所述匹配台阶位于输入矩形波导和第一过渡矩形波导之间，所述第二过渡矩形波导末端设有第一反射谐振腔，所述过渡矩形波导的E面下方并排放置(n-1)个分支波导，所述(n-1)个分支波导连接一个过模输出波导，所述(n-1)个分支波导下方与过模输出波导一侧连接有一个电子注通道；基模TE^□ ₁₀从端口一输入，通过(n-1)个分支波导后获得TE_n0模，电子注从端口三馈入或收集，经过电子注通道，与TE^□ _n0模实现注波汇合/分离，所提出的高阶过模功率耦合器兼具模式转换特性和功率耦合特性。

2.根据权利要求1所述的一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器，其特征在于：还设有第二反射谐振腔，所述第二反射谐振腔位于电子注通道的下方，能够将传输至电子注通道的电磁波反射回端口二处，从而提高高阶过模耦合器的隔离系数和工作模式的传输系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于多分支波导的高阶过模功率耦合器，其特征在于：调整第m和(m-1)分支波导的间距d_(m-1)(m＝2,3,…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奇数倍，从而能够保证在相邻分支波导传播的电磁波具有180°的相位差，从而提高模式转换效率。