CN112864547B - 一种用于w波段eio的小型化宽带准光模式变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于变换器技术领域，提供了一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器，所述小型化宽带准光模式变换器包括：圆波导段，一端设置输入端口；相位匹配段，连接圆波导段远离输入端口的一端，圆波导段和相位匹配段同轴设置；其中，圆波导段从输入端口半径逐渐增加；圆波导段的输出端尺寸与相位匹配段的输入端尺寸一致，相位匹配段外表面呈现波浪曲线形式；相位匹配段和圆波导段具有光滑波导壁。本发明优点：结构简单，生产方便，体积小，节约生产成本，避免了毛刺出现，提高功率容量。

Description

一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器
技术领域
本发明属于变换器技术领域，尤其涉及一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器。
背景技术
扩展互作用振荡器(英文名EIO，Extended Interaction Oscillator的缩写)如图1所示，是一种重要的小型化电真空微波辐射源。它采用速调管的谐振腔和行波管的慢波线，结合了两者的优点，形成独特的耦合腔链慢波线，具有较高的互作用效率。EIO可以有效地工作在毫米波乃至频率更高的太赫兹波段，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功率高等优点。EIO的输出功率比毫米波行波管显著提高，与大功率回旋管相比，EIO不需要超导磁体，启动速度快，而且体积和重量方面优势明显。扩展互作用器件在毫米波及以上波段拥有很大发展潜力，在气象观测、卫星通信、雷达等方面都有重要应用。EIO目前正在向高频率、高功率和小型化的方向发展，进一步采用先进的微细加工技术和阴极技术的EIO源，有希望发展成为一类重要的低频段太赫兹器件。
模式变换器位于EIO源耦合输出结构的末端，作用是在输出窗口以外将EIO的输出模式变换为所需要的模式。基于定向微波波束辐射的应用场景，需要将EIO源的输出模式变换为准光模式(HE11模式)，同时具有较高的模式纯度和传输效率。目前在EIO器件发展和应用过程面临的关键问题之一是在高功率和高频率发展趋势下准光模式变换器的设计问题。
在电磁波处于低频段时，使用传统的圆周开槽的波纹波导结构设计出来的模式变换器转化效率较高，但是随着电磁波频率逐渐升高至毫米波甚至太赫兹波段时，传统的模式变换器使得加工的模式变换器容易出现毛刺，从而使波纹波导容易被高功率微波击穿，限制了其应用和发展。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器，旨在解决容易出现毛刺的问题。
本发明是这样实现的，一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器，所述小型化宽带准光模式变换器包括：
圆波导段，一端设置输入端口；
相位匹配段，连接圆波导段远离输入端口的一端，圆波导段和相位匹配段同轴设置；
其中，圆波导段从输入端口半径逐渐增加；圆波导段的输出端尺寸与相位匹配段的输入端尺寸一致，相位匹配段外表面呈现波浪曲线形式；相位匹配段和圆波导段具有光滑波导壁。
在本发明实施例中，微波通过输入端口进入到圆波导段的内部，圆波导段2对微波功率容量进行放大，从而对增加了功率容量，相位匹配段的设置便于降低加工难度。相位匹配段和圆波导段具有光滑波导壁，加工难度小，通过圆波导段进行放大功率容量，可以最大化的减小所述变换器的大小，减小了占用空间，安装便捷，使用方便，减小了安装空间，同时避免加工过程中出现的毛刺，有利于提高功率容量。本发明优点：结构简单，生产方便，体积小，节约生产成本，避免了毛刺出现，提高功率容量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器和传统的准光模式变换器的传输效率比较曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器功率耦合输出结构和传统的准光模式变换器的功率容量理论值比较曲线图；
附图中：输入端口1，圆波导段2，相位匹配段3。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器的结构图，包括：
圆波导段2，一端设置输入端口1；
相位匹配段3，连接圆波导段2远离输入端口1的一端，圆波导段2和相位匹配段3同轴设置；
其中，圆波导段2从输入端口1半径逐渐增加；圆波导段2的输出端尺寸与相位匹配段3的输入端尺寸一致，相位匹配段3外表面呈现波浪曲线形式；相位匹配段3和圆波导段2具有光滑波导壁。
在本发明实施例中，微波通过输入端口1进入到圆波导段2的内部，圆波导段2和相位匹配段3的设置便于降低加工难度。相位匹配段3和圆波导段2具有光滑波导壁，加工难度小，通过圆波导段2进行放大功率容量，可以最大化的减小所述变换器的大小，减小了占用空间，安装便捷，使用方便，减小了安装空间，同时避免加工过程中出现的毛刺，有利于提高功率容量。
在本发明的一个实例中，圆波导段2和相位匹配段3的截面均为圆形结构，圆波导段2和相位匹配段3光滑过度，所述圆波导段2半径渐变和相位匹配段3在同一轴线上；圆波导段2的输出端尺寸与相位匹配段3的输入端尺寸一致。从而实现了光滑过度，避免了棱角的出现。加工方便，使用材料小，节约成本。
作为本发明的一种优选实施例，输入端口1长度为L1，输入端口1横截面半径为R1；圆波导段2的长度为L2，圆波导段2输出端口横截面半径为R2；相位匹配段3的长度为L3，相位匹配段3输出端口截面半径为R3；总长度LL＝L1+L2+L3。各部分结构分别如图1所示。L1：L2：L3＝2:20:30.85；R3：R2：R1＝5:5:3。通过尺寸比例设计，便于加工需求，加工方便，避免了毛刺的出现。同时最大限度的增加功率容量。
在本发明的一个实例中，输入端口1长度为L1，输入端口1横截面半径为R1；L1：R1＝2：9，从而限制所述小型化宽带准光模式变换器尺寸。
在本发明的一个实例中，圆波导段2的长度为L2，圆波导段2输出端口横截面半径为R2；L2：R2＝4:3，从而限制所述小型化宽带准光模式变换器尺寸。
在本发明的一个实例中，相位匹配段3的长度为L3，相位匹配段3输出端口截面半径为R3；L3：R3＝30.85:15，从而限制所述小型化宽带准光模式变换器尺寸。
作为本发明的一种优选实施例，L1＝2，L2＝20，L3＝30.85，LL＝52.85(单位：mm)；从而最大限度的缩减了准光模式变换器体积。
作为本发明的一种优选实施例，R1＝9，R2＝15，R3＝15(单位：mm)；从而缩减了准光模式变换器体积。上述尺寸通过多种实验所得，并不属于常规的技术尺寸，是本申请创造性思维，具有明显的创造性。
作为本发明的一种优选实施例，利用三维电磁仿真软件对本实施例提供的小型化宽带准光模式变换器进行仿真，获得其传输效率，并与具有相同输出端口横截面半径R1，相同总长度LL的传统的准光模式变换器比较。仿真结果如图2所示。其中，曲线1和曲线2分别是本发明提供的准光模式变换器的传输效率曲线和传统的准光模式变换器的传输效率曲线。在工作频带内(90GHz～100GHz)，本发明所提供的准光模式变换器的传输效率均优于传统的模式变换器，且工作带宽比传统的模式变换器大6GHz。较现有技术的准光模式变换器，提高了能量传输效率和工作带宽，增大了输出口功率容量，且易于加工，拓宽了毫米波EIO的应用范围，能够进一步满足装备系统对该类器件在功率容量、传输效率等方面的要求。
作为本发明的一种优选实施例，对输入端口1输入的TE11模式，经准光模式转换器的转换，在输出端输出特定比例的混合模式，其中TE11模式占比约84％和TM11模式占比约16％，以生成HE11模式。利用微波工程技术中通用的波导传输功率所定义的波导的功率容量，用数值计算的方法得出输出口处在不发生电击穿的前提下波导允许传输的功率容量理论值。对于圆波导的TM11模式，用(1)式计算功率容量，对于圆波导的TE11模式，用(2)式计算功率容量，结果取较小值。其中，R是圆波导截面半径，λ是工作波长，Em是最大电场强度的幅值，一般情况下取空气的击穿强度为30kV/cm。图3给出了传统的模式变换器和本发明提供的小型化准光模式变换器的功率容量的对比。其中，曲线3和曲线4分别是本发明所提供的小型化准光模式变换器的输出口处的功率容量曲线和传统的模式变换器的功率容量曲线。
从图3中曲线3和曲线4的比较可知：相比于传统的模式变换器，本发明所提供的W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器在整个工作频带(90GHz～100GHz)内都具有更高的功率容量，从而能够满足EIO输出功率不断提高的需求。
本发明上述实施例中提供了一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器，相位匹配段3和圆波导段2具有光滑波导壁，加工难度小，通过圆波导段2进行放大功率容量，可以最大化的减小所述变换器的大小，减小了占用空间，安装便捷，使用方便，减小了安装空间，同时避免加工过程中出现的毛刺，有利于提高功率容量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于W波段EIO的小型化宽带准光模式变换器，其特征在于，所述小型化宽带准光模式变换器包括：圆波导段，一端设置输入端口；相位匹配段，连接圆波导段远离输入端口的一端，圆波导段和相位匹配段同轴设置；其中，圆波导段从输入端口半径逐渐增加；圆波导段的输出端尺寸与相位匹配段的输入端尺寸一致，相位匹配段外表面呈现波浪曲线形式；相位匹配段和圆波导段具有光滑波导壁，
所述输入端口长度为L1，圆波导段的长度为L2，相位匹配段的长度为L3；所述L1=2mm，L2=20mm，L3=30.85mm，所述输入端口横截面半径为R1；圆波导段输出端口横截面半径为R2；相位匹配段输出端口截面半径为R3；R1=9mm，R2=15mm，R3=15mm，工作频为90GHz～100GHz，对输入端口输入的TE11模式，经小型化宽带准光模式变换器的转换，在输出端输出特定比例的混合模式，其中TE11模式占比84%和TM11模式占比16%，以生成HE11模式。
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