CN113224481B - 圆对称TE0n模式滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆对称TE_0n模式滤波器，包括从上至下依次同心连接的第一圆波导段、模式滤波段和第二圆波导段，三者都为中空金属圆柱腔，第一圆波导段作为所述模式滤波器的输入接口；第二圆波导段作为所述模式滤波器的输出圆波导接口；模式滤波段内部嵌入多个形状大小相同的辐射状排列的矩形金属膜片，多个金属膜片以模式滤波段的中心为圆心、金属膜片的长度为半径的圆周上径向均匀分布；该圆对称TE_0n模式滤波器结构紧凑，易于加工实现，功率容量高，可用于基于圆波导TE_0n模式的功率合成系统中，改善基于圆波导TE_0n模式径向功率合成器有效工作频率带宽和合成效率，实现微波毫米波多路宽带高效率高功率合成。

Description

圆对称TE0n模式滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波太赫兹技术领域，特别涉及毫米波太赫兹波导空间径向功率合成技术领域。

背景技术

在微波毫米波多路高功率合成领域，基于圆对称TE_0n模式的波导空间径向功率合成技术因具有合成支路多、损耗低、功率容量大的技术特点而备受关注。在这类合成技术中，多个单模(矩形波导TE10模或微带线TEM模)支路功率信号以径向构架的方式组合为一路圆对称TE_0n模式信号，从而实现波导空间多路径向功率合成。

与其他功率放大合成技术一样，这类波导空间径向功率合成过程也由功率分配、功率放大和功率合成三个阶段组成，只是功率合成是由多个径向分布的支路信号组合成一路圆对称 TE_0n模式信号的方式实现的。我们知道，要获得高的合成效率，要求参与合成的各支路信号具有良好的幅度和相位一致性。通常，在基于圆对称TE_0n模式的波导空间径向功率合成技术中，功率分配阶段将一路圆对称TE_0n模式信号分配为径向对称分布的多路支路信号，在功率放大阶段对每一支路信号进行等幅、同相放大之后，最后在功率合成阶段再组合为一路圆对称TE_0n模式合成信号。因此，在这类合成技术中，要获取较高的合成效率，须在功率分配阶段所获得的各径向支路信号具有良好的幅度和相位一致性，这要求输入信号中圆对称TE_0n模式具有极高的纯度而其他非圆对称TE_0n模式得到极大程度的抑制。

实际上，在基于圆对称TE_0n模式的波导空间径向功率合成技术中，由于功率合成时所采用的圆对称TE_0n模式为高次模式，极易受低次模式影响；并且，合成系统中任何一个环节的非理想性都可能导致非圆对称TE_0n模式的产生。这些非圆对称模式严重地限制了基于圆对称 TE_0n模式的波导空间径向功率合成技术在相应功率合成系统应用中的工作带宽和效率。

另外，在基于圆对称TE_0n模式的波导空间径向功率合成实际系统应用中，往往还需要实现系统常用模式(多为矩形波导TE10模、微带TEM模或同轴TEM模)与圆对称TE_0n模式信号的过渡转换，这样在实际应用中引入的模式转换器因结构或工艺因素，必将激励起其他非圆对称TE_0n模式，从而破坏系统中各径向支路幅度和相位一致性降低，最终导致功率合成效率降低。

可见，在基于圆对称TE_0n模式的波导空间径向功率合成技术中，需对系统中非圆对称 TE_0n模式，特别是低次模式进行抑制，提高圆对称TE_0n模式信号纯度，达到较高的功率合成效率和较宽的有效工作带宽的目的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种圆对称TE_0n模式滤波器。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种圆对称TE_0n模式滤波器，包括从上至下依次同心连接的第一圆波导段1、模式滤波段2和第二圆波导段3，三者都为中空金属圆柱腔，且三者的外表面形成同一圆柱表面；第一圆波导段1和第二圆波导段3的尺寸相同且内径都为D，模式滤波段2的内径为D₀，第一圆波导段1作为所述模式滤波器的输入接口；第二圆波导段3作为所述模式滤波器的输出圆波导接口；模式滤波段2内部嵌入多个形状大小相同的辐射状排列的矩形金属膜片2-2，多个金属膜片2-2以模式滤波段2的中心为圆心、金属膜片2-2的长度为半径的圆周上径向均匀分布。

作为优选方式，所述圆对称TE_0n模式滤波器的输入接口馈入包括圆对称TE_0n模式和非圆对称TE_0n模式的多模式混合信号时，非圆对称TE_0n模式信号被反射衰减，而圆对称TE_0n模式信号低损耗通过，在输出接口处仅保留圆对称TE_0n模式信号输出，从而达到选择性传输圆对称TE_0n模式信号而抑制非圆对称TE_0n模式信号的滤波作用。

作为优选方式，第一圆波导段1和第二圆波导段3为结构尺寸相同的中空金属圆管；模式滤波段2为一段内径为D₀、长度为h的中空金属圆管2-1。

作为优选方式，D₀＞D，或D₀＜D，或D₀＝D。

作为优选方式，模式滤波段2的金属膜片2-2长度为D₀/2，宽度为h，金属膜片2-2的厚度为0.1～0.3mm。

作为优选方式，在Ka波段，模式滤波段2内部嵌入8片辐射状排列的金属膜片2-2，相邻金属膜片2-2片间的夹角为45°；径向对称嵌入的金属膜片的数量根据非圆对称TE0n模式抑制度要求、功率容量以及加工和装配工艺条件进行具体选择；一般膜片数量越多，对非圆对称TE0n模式抑制度就大，但相应的功率容量会有所影响，并且相应加工装配难度会提高。

作为优选方式，第一圆波导段1、第二圆波导段3的内壁表面、模式滤波段2内壁表面和金属膜片2-2选自银或铜或金或铝。

本发明所述圆对称TE_0n模式滤波器，对所馈入的非圆对称TE_0n模式，特别是低次模式进行抑制，提高圆对称TE_0n模式信号纯度，可用于改善基于圆对称模式TE_0n模的波导空间径向功率合成器的有效工作频率带宽和合成效率。

本发明的有益效果为：本发明提出了一种提高圆对称TE_0n模式纯度的模式滤波器，以改善基于圆波导TE_0n模式径向功率合成器有效工作频率带宽和合成效率。该圆对称TE_0n模式滤波器根据圆波导内不同模式的电磁场分布关系，在圆对称模式不受影响的前提下，对非TE_0n圆对称模式采取了限制措施，从而提高了圆对称TE_0n模式纯度。该圆对称TE_0n模式滤波器结构紧凑，易于加工实现，功率容量高，可用于基于圆波导TE_0n模式的功率合成系统中，改善基于圆波导TE_0n模式径向功率合成器有效工作频率带宽和合成效率，实现微波毫米波多路宽带高效率高功率合成。

附图说明

图1(a)是本发明表现矩形金属膜片的圆对称TE_0n模式滤波器立体结构图。

图1(b)是本发明所述圆对称TE_0n模式滤波器的整体结构图。

图2是本发明的模式率波段的结构示意图：(a)立体结构图；(b)俯视图。

图3是本发明实施例1的D0＞D的圆对称TE0n模式滤波器结构示意图；

图4是本发明实施例2的D0＜D的圆对称TE0n模式滤波器结构示意图；

图5是本发明实施例3的D0＝D的圆对称TE0n模式滤波器结构示意图；

图6是本发明所述圆对称TE0n模式滤波器实施例模拟电磁仿真结果；

图7是本发明的对比模拟电磁仿真结果。

图中标记说明：

1为第一圆波导段，2为模式滤波段，2-1为中空金属圆管，2-2为金属膜片；3为第二圆波导段。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

如图1所示，一种圆对称TE_0n模式滤波器，包括从上至下依次同心连接的第一圆波导段 1、模式滤波段2和第二圆波导段3，三者都为中空金属圆柱腔，且三者的外表面形成同一圆柱表面；第一圆波导段1和第二圆波导段3的尺寸相同且内径都为D，模式滤波段2的内径为D₀，第一圆波导段1作为所述模式滤波器的输入接口；第二圆波导段3作为所述模式滤波器的输出圆波导接口；模式滤波段2内部嵌入多个形状大小相同的辐射状排列的矩形金属膜片2-2，多个金属膜片2-2以模式滤波段2的中心为圆心、金属膜片2-2的长度为半径的圆周上径向均匀分布。

所述圆对称TE_0n模式滤波器的输入接口馈入包括圆对称TE_0n模式和非圆对称TE_0n模式的多模式混合信号时，非圆对称TE_0n模式信号被反射衰减，而圆对称TE_0n模式信号低损耗通过，在输出接口处仅保留圆对称TE_0n模式信号输出，从而达到选择性传输圆对称TE_0n模式信号而抑制非圆对称TE_0n模式信号的滤波作用。

具体的，第一圆波导段1和第二圆波导段3为结构尺寸相同的中空金属圆管；模式滤波段2为一段内径为D₀、长度为h的中空金属圆管2-1。

模式滤波段2的金属膜片2-2长度为D₀/2，宽度为h，金属膜片2-2的厚度为0.1～0.3mm。

如图2所示，在Ka波段，模式滤波段2内部嵌入8片辐射状排列的金属膜片2-2，相邻金属膜片2-2片间的夹角为45°；径向对称嵌入的金属膜片的数量根据非圆对称TE0n模式抑制度要求、功率容量以及加工和装配工艺条件进行具体选择；一般膜片数量越多，对非圆对称TE0n模式抑制度就大，但相应的功率容量会有所影响，并且相应加工装配难度会提高。

第一圆波导段1、第二圆波导段3的内壁表面、模式滤波段2内壁表面和金属膜片2-2 选自银或铜或金或铝。

如图3所示，本实施例中，D₀＞D；

本实施例中，在Ka波段的一个具体实施例如下：频率10GHz-70GHz，圆波导外导体内径选为D＝12.8mm；模式滤波器段的中空金属管内径D₀＝D＝12.8mm，长度h＝3mm；模式滤波器的金属膜片厚度选为0.3mm，膜片数n＝8。

根据以上实施例的结构参数进行三维电磁场模拟仿真。模拟仿真计算了前十个圆波导模式的传输特性，它们分别是：TE₁₁模式、TE₁₁极化简并模式、TM₀₁模式、TE₂₁模式、TE₂₁极化简并模式、TE₀₁模式、TM₁₁模式、TM₁₁极化简并模式、TE₃₁模式、TE₃₁极化简并模式。仿真计算结果如图6所示。可以看出，扣除因计算收敛干扰外，圆对称模式TE₀₁模式在频率 29.2GHz以上频段可以良好地传输，而其余九个模式均得到了一定程度的干扰抑制。

为便于对比本发明所述模式滤波器的技术效果，将实施列中的模式滤波段由一段长度为 h、内径为D的圆波导代替，即仿真模拟计算内径为D的均匀圆波导前十个模式的传输特性，仿真计算结果如图7所示。可以看出，在未加模式滤波器的情况下，当工作频率高于在截止频率时，各模式均可得到良好的传输。各模式对应截止频率分别约为：14.1GHz(TE₁₁模式、 TE₁₁极化简并模式)，18.5GHz(TM₀₁模式)，23.4GHz(TE₂₁模式、TE₂₁极化简并模式)，29.2GHz (TE₀₁模式、TM₁₁模式、TM₁₁极化简并模式)，32GHz(TE₃₁模式、TE₃₁极化简并模式)。

由以上实施例及对比仿真可以看出，本发明所述圆对称TE_0n模式滤波器对非圆对称TE₀₁模式进行了有效的干扰抑制，同时，保证了TE₀₁模式的传输特性不受干扰，提高了圆对称 TE₀₁模式信号纯度。事实上，本发明所述模式滤波器对所有圆对称TE_0n模式的传输均不受干扰，而只对非圆对称TE_0n模式进行干扰抑制，可用于提高应用系统中圆对称TE_0n模式纯度，以改善基于圆波导TE_0n模式径向功率合成器有效工作频率带宽和合成效率，以实现微波毫米波多路宽带高功率合成系统。

实施例2

本实施例和实施例1的区别在于：D₀＝D。

实施例3

本实施例和实施例1的区别在于：D₀＜D。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种圆对称TE_0n模式滤波器，其特征在于：包括从上至下依次同心连接的第一圆波导段(1)、模式滤波段(2)和第二圆波导段(3)，三者都为中空金属圆柱腔，且三者的外表面形成同一圆柱表面；第一圆波导段(1)和第二圆波导段(3)的尺寸相同且内径都为D，模式滤波段(2)的内径为D₀，第一圆波导段(1)作为所述模式滤波器的输入接口；第二圆波导段(3)作为所述模式滤波器的输出圆波导接口；模式滤波段(2)内部嵌入多个形状大小相同的辐射状排列的矩形金属膜片(2-2)，多个金属膜片(2-2)以模式滤波段(2)的中心为圆心、金属膜片(2-2)的长度为半径的圆周上径向均匀分布；

所述圆对称TE_0n模式滤波器的输入接口馈入包括圆对称TE_0n模式和非圆对称TE_0n模式的多模式混合信号时，非圆对称TE_0n模式信号被反射衰减，而圆对称TE_0n模式信号低损耗通过，在输出接口处仅保留圆对称TE_0n模式信号输出，从而达到选择性传输圆对称TE_0n模式信号而抑制非圆对称TE_0n模式信号的滤波作用。

2.根据权利要求1所述的圆对称TE_0n模式滤波器，其特征在于：第一圆波导段(1)和第二圆波导段(3)为结构尺寸相同的中空金属圆管；模式滤波段(2)为一段内径为D₀、长度为h的中空金属圆管(2-1)。

3.根据权利要求1所述的圆对称TE_0n模式滤波器，其特征在于：D₀＞D，或D₀＜D，或D₀＝D。

4.根据权利要求1所述的圆对称TE_0n模式滤波器，其特征在于：模式滤波段(2)的金属膜片(2-2)长度为D₀/2，宽度为h，金属膜片(2-2)的厚度为0.1～0.3mm。

5.根据权利要求1所述的圆对称TE_0n模式滤波器，其特征在于：在Ka波段，模式滤波段(2)内部嵌入8片辐射状排列的金属膜片(2-2)，相邻金属膜片(2-2)片间的夹角为45°。

6.根据权利要求1所述的圆对称TE_0n模式滤波器，其特征在于：第一圆波导段(1)、第二圆波导段(3)的内壁表面、模式滤波段(2)内壁表面和金属膜片(2-2)选自银或铜或金或铝。

Images