CN110854481A

CN110854481A - 一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器

Info

Publication number: CN110854481A
Application number: CN201911134509.4A
Authority: CN
Inventors: 李�浩; 欧美玲; 李殿亮; 王克强; 李天明; 周翼鸿; 汪海洋; 胡标
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明公开了一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器，属于模式激励器领域。该模式激励器为内导体为圆波导形式的同轴波导结构，包括依次连接的截止段、谐振段和辐射段，所述谐振段中，内导体波导壁上沿轴向设置有周期性螺旋分布的角向和轴向都满足布拉格谐振条件的耦合缝隙或者耦合孔阵列。本发明模式激励器具有结构简单、矢量模式纯度高、耦合效率大、高纯度带宽和杂模数目少的优点。

Description

一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器

技术领域

本发明属于模式激励器领域，具体涉及一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器。

背景技术

回旋振荡管是高功率毫米波源的典型代表，它具有高功率，长脉冲和连续波输出等优点。主要应用于毫米波雷达、通信、高能物理、受控热核聚变、高功率微波武器和高功率电磁加热等方面。回旋管中工作模式通常为高阶边廊模式或高阶体模式，这类高阶模式不便于直接利用与传输，通常采用准光模式变换器将其转换为易利用与传输的低阶模式。而为了能够准确测试准光模式变换器性能，需要设计高纯度圆极化的高阶模式激励器来模拟回旋管的输出模式。

目前高阶激励器主要有两类，分别是波导模式激励和准光模式激励。第一类是采用波导结构，利用周期性扰动实现模式转换，其作为模式激励器，模式转换效率较高。2006年，俄罗斯科学院应用物理研究所A.A.Bogdashov和M.Yu.Golov等人提出一种由轴对称腔体内的旋转的圆极化模通过同轴双周期螺旋穿孔波导激励更高阶模式的方法，通过确定尺寸参数之间的关系确保该系统从波导到腔体的总能量传递。2007年该研究所根据该方案设计了圆波导TE₁₁-同轴波导TE₅₃模式激励器，并在其发表的文献中给出实测结果：在29.75～30.25GHz内，耦合效率达到98％。2010年电子科技大学王志坚根据同轴外导体的腔壁耦合和圆波导径向渐变耦合理论设计了一种矩形波导TE₁₀-圆波导TE₆₂模式激励器。在其文章中给出中心频率94GHz处的TE₆₂模式纯度为91.37％，转换效率为91.27％。2017年中科院电子学研究所耿志辉等人设计了一种W波段圆波导TE₆₂模式激励器，其模式转换顺序为矩形波导TE₁₀-同轴波导TE₆₁-圆波导TE₆₁-圆极化TE₆₁-圆极化TE₆₂，其模式转换效率为90％，模式纯度未提及。第二类是采用准光结构，1995年，俄罗斯Alexandrov和Denisov等人提出在118GHz低功率水平下利用准光技术在同轴谐振腔中激励圆波导模式TE_22,6，其准光模式激励结构由波纹高斯喇叭、两个微波反射镜面、一个同轴谐振腔和一个固定结构组成，其通过分析寻找合适的同轴谐振腔内外半径比，分离邻近杂模，确定谐振腔的重要尺寸，得到TE_22,6的最佳谐振频率118.06GHz，其模式谱图显示具有良好的模式纯度。2000年，美国D.Wagner和M.Blank等人提出，冷侧回旋管的准光模式转换器的性能必须在低功率水平下激励高阶回旋腔体模式，并为此设计了一种准光学解决方案，即由标量馈电喇叭产生的高斯波束使用两个圆柱形介质透镜和一个准抛物面金属镜聚焦到波导中的指定模式的焦散面，经过腔体轮廓优化，可实现高输出模式纯度和品质因数。2006年，T.S.Chu和M.Blank等人介绍一种95GHz准光TE_22,6模式激励器的设计和实现，其介绍的设计是输入的波束经抛物面镜反射通过谐振腔的孔壁进入腔体，其仅给出了模式激励器输出端口的扫描图，未给出具体纯度和转换效率。2011年，电子科技大学赵晓娜利用边界缓变截面的条件设计了三段式TE₆₂谐振腔，利用几何光学理论和高斯波束近似理论设计了准抛物面，准抛物面镜将激励源提供的平面波束馈入同轴谐振腔，直接耦合出圆极化TE₆₂模，并计算出模式纯度为96％，转换效率为45.45％。2016年，电子科技大学江晨设计了一套包括高斯喇叭、凸透镜、柱透镜、准抛物面镜和同轴谐振腔的准光TE₆₂模式激励器系统，其仿真得到的模式纯度95％，实测纯度90％。2018年，电子科技大学李殿亮设计了一套插板式同轴波导模式激励器，其在14GHz处实现了同轴TEM-圆波导TE₆₂模式的转换，该模式激励器在中心频率处转换效率和模式纯度都达到99％以上，但是其设计的极化方式为线极化，要应用到回旋管中还需很多中间过渡器件实现线极化到圆极化的转换。

发明内容

本发明针对现有高阶模式激励器结构复杂、装配精度要求高、过渡器件过多、转换效率和模式纯度低的问题，提出了一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器。

本发明通过以下技术方案实现：

一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器，该模式激励器为内导体为圆波导形式的同轴波导结构，包括依次连接的截止段、谐振段和辐射段。

所述截止段是一段内导体半径不变、外导体半径逐渐扩张的“圆台”形同轴波导结构；所谐振段是一段均匀的开放式同轴波导结构，可通过改变同轴波导内外半径比调节波导模式本征值，以提高模式隔离度；所述辐射段是一段内导体半径不变、外导体半径逐渐扩张的“圆台”形同轴波导结构。

所述截止段中，腔体内的TE₅₃模被完全反射回腔体，同时低阶模通过截止端口传输出去，以此降低低阶模式的Q值，抑制杂模在腔体的谐振。

所述谐振段中，内导体波导壁上沿轴向设置有周期性螺旋分布的角向和轴向都满足布拉格谐振条件的耦合缝隙或者耦合孔阵列。通过选择合适的同轴波导内外半径比，使同轴TE₅₃模的本征值与其相邻模式本征值的差异比对应圆波导中TE₅₃模与其相邻模式本征值的差异要大，则此时TE₅₃模与杂模之间的相位常数差异也大，因此同轴波导比圆波导更有利于分离杂模。

所述辐射段为TE₅₃模的过渡段，既能使腔体内的TE₅₃模部分反射回腔体形成驻波谐振，又能使TE₅₃模以行波的方式通过辐射端口辐射。同时，辐射端口的半径扩张后不能产生TE₅₃模的高阶模，即TE₅₃模不能再变换成别的模式。

本发明的优点：

(1)采用同轴波导作为模式激励器的雏形，比圆波导更有利于分离杂模。

(2)采用布拉格谐振条件，其为波导模式激励器从低阶模式激励器变换为高阶模式提供了一次性过渡的可能。

(3)采用开放式谐振腔，既能激励起一些高Q值的稳定振荡模式，又能同时向周围空间辐射，解决封闭式谐振腔振荡频谱密集的问题。

(4)采用圆极化缝隙耦合同轴内嵌圆波导模式激励器的耦合效率相较于圆极化小孔耦合同轴内嵌圆波导模式激励器有明显提高，同时还在一定程度上抑制同轴波导TE₅₃模右旋圆极化分量，激励出更纯的左旋圆极化的同轴波导TE₅₃模。

附图说明

图1是开放式同轴谐振腔结构示意图；

图2是小孔耦合同轴内嵌圆波导模式激励器模型示意图；

图3是小孔耦合同轴波导TE₅₃模横截面电场示意图；

图4是小孔耦合同轴内嵌圆波导模式激励器圆极化TE₁₁模的功率反射示意图；

图5是小孔耦合同轴内嵌圆波导模式激励器能量耦合进同轴谐振腔耦合效率示意图；

图6是缝隙耦合同轴内嵌圆波导模式激励器模型示意图；

图7是缝隙耦合同轴波导TE₅₃模横截面电场示意图；

图8是缝隙耦合同轴内嵌圆波导模式激励器圆极化TE₁₁模的反射示意图；

图9是缝隙耦合同轴内嵌圆波导模式激励器能量耦合进同轴谐振腔耦合效率示意图。

附图标记说明：1表示耦合孔；2表示耦合缝隙。

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。

实施例一：一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器，参见图1所示，该同轴内嵌圆波导模式激励器包括沿轴向依次连接的三个部分，第一部分即为使腔体内的TE₅₃模被完全反射回腔体的截止段，其为一段内导体半径不变、外导体半径逐渐扩张的“圆台”形同轴波导结构；第二部分为利用布拉格衍射光栅模型的波导谐振段，其为一段均匀的开放式同轴波导结构；第三部分为保证TE₅₃模功率大部分辐射传输的辐射段，其为一段内导体半径不变、外导体半径逐渐扩张的“圆台”形同轴波导结构。结合图1，其各结构尺寸进行说明：R_c为20.05mm；L_c为2.08mm；L_R为91.5mm；L_t为65.7mm；R_w为5.45mm；R_in为1mm；R_out为22.13mm；R_t为24.42mm。

该圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器激励耦合的过程为：从入射端口1输入右旋圆极化的TE₁₁模，通过在谐振段区域的开有轴向和角向双周期螺旋耦合孔阵列的圆波导，TE₁₁模的一部分能量与满足布拉格谐振条件的耦合孔发生谐振，不断循环激励，谐振产生的“衍射波”在同轴谐振腔内形成左旋圆极化的同轴TE₅₃模，利用同轴波导模式隔离度高以及谐振腔选频能力强的特点，随着TE₅₃模在同轴谐振腔内的能量越来越多，TE₅₃模的低阶模从隔离端口3和辐射端口4辐射出去，没有在腔体内形成谐振，而TE₅₃模被隔离端口3反射回腔体，只能大部分从辐射端口4逐渐辐射出去，小部分被辐射端口4反射并留在腔体内继续产生驻波谐振；与此同时，TE₁₁模的另一部分没有参与布拉格谐振的能量从直通端口2辐射出去。对于辐射端口4，由于TE₅₃模所占的能量比例最高，而其余模式因不满足布拉格谐振条件未能最大化耦合进同轴谐振腔，且在专为TE₅₃模设计的腔体内极少量的杂模Q值偏低，杂模在腔体的谐振被抑制，所以TE₅₃模具有最高的模式纯度。

本发明在设计过程中，首先根据下式同轴波导本征方程以及TE₅₃模及其相邻模式，具体求解谐振腔的重要尺寸和双周期耦合孔的大小和排列分布。

χ_Hmn＝μ_kC

以上两式中J′_m(x)表示m阶第一类贝塞尔函数的导数；N′_m(x)表示m阶第二类贝塞尔函数的导数；χ_Hmn表示波导模式的本征值；μ_k是贝塞尔函数的导数的第n个非零根；C表示内外导体半径比，本实施例中C为4.97。

通过以上计算及分析，本实施例一设计了一个在谐振段的内导体圆波导壁上开有周期性螺旋分布的且大小相同的圆孔的小孔耦合圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器，如图2所示，这些圆孔贯穿波导壁连通内导体圆波导腔体和同轴谐振腔。

本实施例中耦合孔的半径r₀为0.88mm，且r₀<<λ。每列小孔按照螺旋角度为60°的螺旋线分布，相邻两条螺旋线的间距为5.85mm，同一条螺旋线上相邻两耦合孔的间距为b且其值为3.5mm，则b<λ/2。

如图3所示为小孔耦合同轴TE₅₃模横截面电场图。

如图4所示，从入射端口1入射的圆极化TE₁₁模的反射很低。

模式纯度是模式激励器最关心的指标，利用正交模展开的方法对靠近辐射端口4截面处进行模式纯度分析，可以计算出截面处同轴TE₅₃模的能量占截面处所有模式能量之和的比例，即同轴TE₅₃模的模式纯度。通过分析，在30.45GHz处，右旋圆极化TE₅₃模激励出的左旋圆极化同轴TE₅₃模的标量模式纯度为94.02％，矢量模式纯度为92.4％，右旋圆极化的同轴TE₅₃模的矢量模式纯度为0.84％。如图5所示，能量耦合进同轴谐振腔的耦合效率只有9.21％，不断微调孔的分布以及大小，但是通过小孔耦合进同轴谐振腔的能量最多仍不超过10％。

实施例二：进一步改进耦合方式，提高耦合效率。如图6所示，将小孔耦合变为缝隙耦合，除缝隙之外的尺寸如实施例一，本实施例缝隙宽度为1.44mm，缝隙间距为4mm，螺旋角度为60°。采用HFSS的本征模设计，发现缝隙耦合同轴内嵌圆波导模式激励器的耦合效率相较于小孔耦合同轴内嵌圆波导模式激励器有明显提高。同时沿螺旋线开设的缝隙，进一步降低了同轴TE₅₃模右旋圆极化的分量，激励出纯度更高的左旋圆极化的同轴TE₅₃模。如图9所示，此时缝隙耦合的圆波导中的能量耦合进同轴谐振腔的耦合效率达到98.01％。缝隙耦合同轴内嵌圆波导模式激励器模式纯度在最佳谐振点两侧一定范围内仍保持很高的水平，分析得出在30.3GHz处右旋圆极化TE₁₁模激励出的左旋圆极化同轴TE₅₃模的模式纯度最佳，标量模式纯度为95.67％，矢量模式纯度为94.26％，同时同轴TE₅₃模的右旋圆极化分量仅有0.01％。

综上所述，缝隙耦合的同轴内嵌圆波导模式激励器对比小孔耦合的同轴内嵌圆波导模式激励器有矢量模式纯度更高、耦合效率更大、一定的高纯度带宽和杂模数目明显更少的优点。同时缝隙耦合的同轴内嵌圆波导模式激励器，坚持了“同轴选模”、“谐振腔选频”和“布拉格谐振条件”三个有利于提高模式纯度的激励优势。这种模式激励器既不像传统波导型模式激励器需要很多中间模式才能过渡变换到高阶模，造成最终输出的模式纯度不够高，也不像传统准光模式激励耦合效率太低造成模式转换效率低，能量浪费，这对今后设计更高频段更高阶的模式激励器具有很大参考意义。

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，如将同轴内嵌带有周期性开槽的圆波导利用在矩形波导以及其他金属波导中实现模式激励，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种圆极化同轴内嵌圆波导模式激励器，该模式激励器为内导体为圆波导形式的同轴波导结构，包括依次连接的截止段、谐振段和辐射段；

所述截止段是一段内导体半径不变、外导体半径逐渐扩张的“圆台”形同轴波导结构；所谐振段是一段均匀的开放式同轴波导结构；所述辐射段也是一段内导体半径不变、外导体半径逐渐扩张的“圆台”形同轴波导结构；

所述谐振段中，内导体波导壁上沿轴向设置有周期性螺旋分布的角向和轴向都满足布拉格谐振条件的耦合缝隙或者耦合孔阵列。