CN112259940A - 基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器。该转换器的出口波导对TM02模式截止，具有结构紧凑、输出模式纯净、有利于HPM传输辐射系统小型化的特点。该转换器由入口圆波导、分段式圆波导以及出口圆波导依次连接而成；入口圆波导半径与上游过模高功率微波产生器件输出波导半径相同，出口圆波导半径小于上游过模高功率微波产生器件输出波导半径，对TM02模式截止；分段式圆波导至少为一个。

Description

基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器及其设计方法
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器及其设计方法。
背景技术
高功率微波(HPM)是指峰值功率超过100MW，频率在300MHz到300GHz的电磁辐射。HPM在定向能武器、雷达等多领域有非常重要的应用前景和潜在价值。随着HPM产生器件功率的不断提高，各国研究人员争相发展过模HPM产生器件，其较大的径向尺寸带来了更高的功率容量，但是过模慢波结构内的高阶模式在器件工作频带内并不截止。考虑到工程应用需求，将过模RBWO输出的TM01和TM02混合模式转换为TM01模式非常重要。
专利申请号为CN201310510340.4公开了名称为《一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法》的发明专利，该专利设计一种混合模式转换器结构，如图1所示，该混合模式转换器由相位调节直波导1、半径扰动波导2组成。其工作原理如下：过模器件输出的TM01、TM02混合模式进入相位调节直波导1调节TM01、TM02间的相位差，随即进入半径扰动波导2利用波导半径变化对将混合模式纯化为TM01模式，但是在实际应用过程中，该转换器存在以下缺陷：
第一，由于该模式纯化器输出波导半径与输入波导相等，导致输出端TM02模式不截止。实际应用中，由于系统的不稳定性等原因，过模器件输出的混合模式比例、相位差会发生变化，会影响该混合模式转换器的正常工作状态，导致其输出的模式依然是混合模式，影响HPM系统的稳定运行。
第二，由于该模式转换器输出波导对TM02模式不截止，其半径大于传统的TM01单模传输波导，其后端的TM01-TE11模式转换器需要重新设计并且长度会大幅增加，不利于HPM系统的实用性和小型化。
因此，设计输出波导对TM02模式截止的紧凑型混合模式转换器是亟需解决的一个难题，具有重要的研究价值和应用价值。
发明内容
为了解决现有混合模式转换器输出模式纯度和模式转换效率对输入微波参数敏感的问题，本发明提供了一种在高功率微波条件下，能将TM01、TM02混合模式高效转换为TM01模式，且输出波导对TM02模式截止的基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器。
同时，本发明还提供了该可调谐混合模式转换器的设计方法。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器，由入口圆波导、分段式圆波导以及出口圆波导依次连接而成；
入口圆波导半径与上游过模高功率微波产生器件输出波导半径相同，长度为(0,2π/(β1-β2))，β1、β2分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的轴向波数；
出口圆波导半径小于上游过模高功率微波产生器件输出波导半径，对TM02模式截止；
分段式圆波导至少为一个，每个分段式圆波导的半径、长度分别满足以下条件：
0.38λ<R分<1.88λ，L分<R分；
其中，λ为自由空间中的波长，R分为分段式圆波导的半径，L分为分段式圆波导的长度。
进一步地，该可调谐混合模式转换器的入口圆波导长度可调，用于调节注入混合模式的相位差。
进一步地，该可调谐混合模式转换器的出口圆波导长度可调，且调节方向与入口圆波导相反。调节入口圆波导长度时，出口圆波导反向自动调节，满足混合模式转换器的总长不变。
基于上述混合模式转换器的结构描述，现对该混合模式转换器的设计方法进行介绍，其实现步骤是：
步骤1：构建混合模式转换器的基本结构模型
步骤1.1：确定模式转换器的初始结构参数
已知入口圆波导半径R入固定为上游过模高功率微波产生器件输出波导的半径R0，其初始长度L初入范围为(0,2π/(β1-β2))；
出口圆波导半径R出固定为实际下游输出波导的半径；
分段式圆波导个数N、N≥1，半径R分的取值范围为0.38λ<R分<1.88λ，长度L分的取值范围为L分<R分；
步骤1.2：将上述初始结构参数输入至电磁仿真软件中构建出混合模式转换器的初始模型；
步骤2：确定混合模式转换器的S参数
根据步骤1创建的基本结构模型，采用模式匹配法或电磁仿真软件得到混合模式转换器的S参数
Figure BDA0002692557180000031
和
Figure BDA0002692557180000032
其中，
Figure BDA0002692557180000033
和
Figure BDA0002692557180000034
中的1表示混合模式注入端口；
步骤3：根据步骤2获取的S参数和上游过模高功率微波器件输出的TM01、TM02模式功率比，计算混合模式转换器将TM01、TM02模式转换为TM01模式的转换效率；
具体计算公式为：
Figure BDA0002692557180000041
Figure BDA0002692557180000042
Figure BDA0002692557180000043
分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的功率比；
Figure BDA0002692557180000044
分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的复振幅；
步骤4：使用电磁仿真软件对模式转换器模型中的分段式圆波导的个数N、分段式圆波导的半径R分和长度L分进行优化，使步骤3中的转换效率高于98％并且反射小于20dB；
步骤5：优化入口圆波导长度，确定混合模式转换器的最终结构模型
步骤5.1：入口圆波导需对上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式产生如下的相位差
Figure BDA0002692557180000045
Figure BDA0002692557180000046
Figure BDA0002692557180000047
为大于零的正数；
其中，α1、α2分别为上游过模高功率微波产生器件输出波导端口处TM01、TM02模式的相位；
θ1、θ2分别为S参数
Figure BDA0002692557180000049
的相位；
m为使
Figure BDA0002692557180000048
为正数时所取的最小整数；
步骤5.2：根据
Figure BDA0002692557180000051
优化入口圆波导长度，确定最终入口圆波导长度L终入；
具体公式为：
Figure BDA0002692557180000052
若L0≤2π/(β1-β2)，则L终入为L0；
若L0＞2π/(β1-β2)，则L终入＝L0-2π/(β1-β2)；
步骤5.3：混合模式转换器的结构参数确定完毕。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的混合模式转换器的出口波导对TM02模式截止，具有结构紧凑、输出模式纯净、有利于HPM传输辐射系统小型化的特点。
2、本发明的混合模式转换器具有输入端圆波导长度可在线调节、分段式圆波导可方便替换的特点，能够满足实验中不同的混合模式比例情况下，获得较高的模式转换效率。
附图说明
图1为现有混合模式转换器结构示意图；
图2为本发明的混合模式转换器结构示意图；
图3为本发明的高功率微波混合模式转换器截面示意图；
图4为应用于某X波段过模高功率微波器件的混合模式转换器频率响应；
图5为模式转换器中心频率下的瞬时电场分布图。
附图标记如下：
1-入口圆波导、2-分段式圆波导、3-出口圆波导。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
模式转换器结构
本实施例提供了一种混合模式转换器的具体结构如图2、图3所示，由入口圆波导1、分段式圆波导2以及出口圆波导3依次连接而成；
入口圆波导1半径与上游过模高功率微波产生器件输出波导半径相同，入口圆波导长度为(0,2π/(β1-β2))；
出口圆波导3半径小于上游过模高功率微波产生器件输出波导半径，对TM02模式截止；
分段式圆波导2至少为一个，每个分段式圆波导3的半径、长度分别满足以下条件：
0.38λ<R分<1.88λ，L分<R分；
其中，λ为自由空间中的波长，R分为分段式圆波导的半径，L分为分段式圆波导的长度。
模式转换器工作原理
上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02混合模式以特定相位差注入混合模式转换器。模式转换器中的圆波导直径突变，其中的TM01、TM02混合模式比例和场分布随之改变，在合适的结构参数下，能够使得TM02模式在模式转换器中相干消除，TM01模式相干增长，从而实现混合模式高效率的转换为TM01模式。通过改变混合模式转换器前面注入圆波导的长度，可以将混合模式的注入相位差调整到所需相位差。该模式转换器的出口波导对TM02模式截止，保证了模转输出为TM01模式。
模式转换器的设计过程
基于对混合模式转换器的结构和工作原理的描述，现对该混合模式转换器的设计方法进行详细说明，具体步骤为：
步骤1：构建混合模式转换器的基本结构模型
步骤1.1：确定模式转换器的初始结构参数；
已知入口圆波导半径R入固定为上游过模高功率微波产生器件输出波导的半径R0，其初始长度L初入范围值为(0,2π/(β1-β2))；β1、β2分别上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的轴向波数；
出口圆波导半径R出固定为实际下游输出波导的半径；
分段式圆波导个数为N，N≥1，半径R分的取值范围为0.38λ<R分<1.88λ，长度L分的取值范围为L分<R分；
步骤1.2：将上述初始结构参数输入至电磁仿真软件中构建出混合模式转换器的初始模型；
步骤2：确定混合模式转换器的S参数
根据步骤1创建的基本结构模型，采用模式匹配法或电磁仿真软件得到混合模式转换器的S参数
Figure BDA0002692557180000071
和
Figure BDA0002692557180000072
其中，
Figure BDA0002692557180000073
和
Figure BDA0002692557180000074
中的1表示混合模式注入端口；
步骤3：根据步骤2获取的S参数和上游过模高功率微波器件输出的TM01、TM02模式功率比，计算混合模式转换器将TM01、TM02模式转换为TM01模式的转换效率；
具体计算公式为：
Figure BDA0002692557180000081
Figure BDA0002692557180000082
Figure BDA0002692557180000083
分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的功率比；
Figure BDA0002692557180000084
分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的复振幅；
步骤4：使用电磁仿真软件对模式转换器模型中的分段式圆波导的个数N、分段式圆波导的半径R分和长度L分进行优化，使步骤3中的转换效率高于98％并且反射小于20dB；
步骤5：优化入口圆波导长度，确定混合模式转换器的最终结构模型
步骤5.1：入口圆波导需对上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式产生如下的相位差
Figure BDA0002692557180000085
Figure BDA0002692557180000086
Figure BDA0002692557180000087
为大于零的正数；
其中，α1、α2分别为上游过模高功率微波产生器件输出波导端口处TM01、TM02模式的相位；
θ1、θ2分别为S参数
Figure BDA0002692557180000088
的相位；
m为使
Figure BDA0002692557180000089
为正数时所取的最小整数；
步骤5.2：根据
Figure BDA00026925571800000810
优化入口圆波导长度，确定最终入口圆波导长度L终入；
具体公式为：
Figure BDA00026925571800000811
若L0≤2π/(β1-β2)，则L终入为L0；
若L0＞2π/(β1-β2)，则L终入＝L0-2π/(β1-β2)；
步骤5.3：混合模式转换器的结构参数确定完毕。
效果仿真
如图4所示，基于有限积分算法的CST软件模拟优化得到的某X波段某混合模式转换器的频率响应，中心工作频率为10GHz，TM01、TM02注入比例为0.54：0.46。在660MHz的带宽内，该混合模式转换器将TM01、TM02混合模式转换为TM01模式的效率均大于98％。该混合模式转换器各个圆波导的参数如下：R入＝38mm，L入＝130mm(实际中L入可调)，R1＝51mm，L1＝20mm，R2＝23.5mm，L2＝11mm，R3＝55mm，L3＝16.8mm，R出＝24.75mm，L出＝90mm，图5为该混合模式转换器某一时刻电场分布图，可以看出该模式转换器成功的将TM01、TM02混合模式转换成了TM01模式。

Claims (4)

1.一种基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器，其特征在于：由入口圆波导、分段式圆波导以及出口圆波导依次连接而成；
入口圆波导半径与上游过模高功率微波产生器件输出波导半径相同，长度为(0,2π/(β1-β2))，β1、β2分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的轴向波数；
出口圆波导半径小于上游过模高功率微波产生器件输出波导半径，对TM02模式截止；
分段式圆波导至少为一个，每个分段式圆波导的半径、长度分别满足以下条件：
0.38λ<R分<1.88λ，L分<R分；
其中，λ为自由空间中的波长，R分为分段式圆波导的半径，L分为分段式圆波导的长度。
2.根据权利要求1所述的基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器，其特征在于：所述入口圆波导长度可调，用于调节注入混合模式的相位差。
3.根据权利要求1所述的基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器，其特征在于：所述出口圆波导长度可调，用于保证模式转换器总长不变。
4.一种基于过模圆波导的可调谐混合模式转换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建混合模式转换器的基本结构模型
步骤1.1：确定模式转换器的初始结构参数
已知入口圆波导半径R入固定为上游过模高功率微波产生器件输出波导的半径R0，其初始长度L初入范围为(0,2π/(β1-β2))；
出口圆波导半径R出固定为实际下游输出波导的半径；
分段式圆波导个数N、N≥1，半径R分的取值范围为0.38λ<R分<1.88λ，长度L分的取值范围为L分<R分；
步骤1.2：将上述初始结构参数输入至电磁仿真软件中构建出混合模式转换器的初始模型；
步骤2：确定混合模式转换器的S参数
根据步骤1创建的基本结构模型，采用模式匹配法或电磁仿真软件得到混合模式转换器的S参数
Figure FDA0002692557170000021
和
Figure FDA0002692557170000022
其中，
Figure FDA0002692557170000023
和
Figure FDA0002692557170000024
中的1表示混合模式注入端口；
步骤3：根据步骤2获取的S参数和上游过模高功率微波器件输出的TM01、TM02模式功率比，计算混合模式转换器将TM01、TM02模式转换为TM01模式的转换效率；
具体计算公式为：
Figure FDA0002692557170000025
Figure FDA0002692557170000026
Figure FDA0002692557170000027
分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的功率比；
Figure FDA0002692557170000028
分别为上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式的复振幅；
步骤4：使用电磁仿真软件对模式转换器模型中的分段式圆波导的个数N、分段式圆波导的半径R分和长度L分进行优化，使步骤3中的转换效率高于98％并且反射小于20dB；
步骤5：优化入口圆波导长度，确定混合模式转换器的最终结构模型
步骤5.1：入口圆波导需对上游过模高功率微波产生器件输出的TM01、TM02模式产生如下的相位差
Figure FDA0002692557170000031
Figure FDA0002692557170000032
Figure FDA0002692557170000033
为大于零的正数；
其中，α1、α2分别为上游过模高功率微波产生器件输出波导端口处TM01、TM02模式的相位；
θ1、θ2分别为S参数
Figure FDA0002692557170000034
的相位；
m为使
Figure FDA0002692557170000035
为正数时所取的最小整数；
步骤5.2：根据
Figure FDA0002692557170000036
优化入口圆波导长度，确定最终入口圆波导长度L终入；
具体公式为：
Figure FDA0002692557170000037
若L0≤2π/(β1-β2)，则L终入为L0；
若L0＞2π/(β1-β2)，则L终入＝L0-2π/(β1-β2)；
步骤5.3：混合模式转换器的结构参数确定完毕。
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