CN113740708B - 一种基于八孔耦合器的圆波导te11与tm01混合模式诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，属于微波模式测量领域，旨在解决利用圆波导TM01模式进行传输过程中混有TE11模式，且混合模式纯度无法测量的问题。本申请将八孔耦合器的八个端口平均功率与八个端口对应端的平均功率进行比较，其功率不相等的情况下则断定TM01模式中混有TE11模式，再采用极化角度及混合模式比来判断混入TE11模式的含量及TM01模式的纯度。本发明提出的混合模式诊断方法操作步骤简单，实验效果明显，为高功率微波系统的模式纯度监测提供了一种方法，该方法的优点在于受模式间相位差影响小，诊断误差较小，方法简单且可靠。

Description

一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法

技术领域

本发明属于微波模式测量领域，涉及一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法。

背景技术

高功率微波在社会、军事的各个方面都有着广泛的应用，例如高功率微波武器、等离子体加热、医用核磁共振等各类科研、军事工程。在线测量技术是检测高功率微波源输出功率的一种重要手段，由于理论设计、加工及装配安装偏差等因素影响，高功率微波源产生微波时会存在干扰模式，影响高功率微波源效率。而高功率微波系统中微波源所产生微波的模式纯度对于整体系统的稳定高效工作有着巨大影响，需要对微波模式进行监测。

高功率微波源的输出主要为圆波导TM01模式，模式不纯时会存在干扰模式TE11，以往的在线测量方法主要利用探针型或多孔型单臂耦合器，通过提取少部分能量方式检测高功率微波源的TM01模式输出功率。当微波源输出存在干扰模式TE11时，以往的测试方法无法判断微波源输出的TE11模式分量大小。目前已报道的耦合器应用中，仅对传输微波的功率进行监测，并不能对传输微波的模式纯度进行测量。因此，很多微波系统主要利用圆波导TM01模式进行传输，但实际工程中可能混杂少量的TE11模式，需要对其模式混合情况进行诊断分析。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，旨在解决现有技术中利用圆波导TM01模式进行传输的过程中混杂TE11模式，不能对混合模式的纯度进行测量的缺陷性技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提出的一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，包括如下步骤：

S1、用纯TM01模式的激励器对八孔圆波导耦合器的各端口耦合度进行调整，使各端口耦合度一致；

S2、采集八孔圆波导耦合器八个端口的微波功率，记为P1～P8；

S3、根据S2获得的八个端口的微波功率P1～P8进行分析：

若八个端口的微波功率一致，则诊断为纯TM01模式；

若八个端口的微波功率不一致，则诊断TM01模式中混有TE11模式。

优选地，八个端口的平均微波功率

与八个端口对应端口的平均功率计算方法如公式(1)所示：

其中，

为1号孔和5号孔的平均功率，

为2号孔和6号孔的平均功率，

为3号孔和7号孔的平均功率，

为4号孔和8号孔的平均功率，p₁,p₂,…,p₈分别代表八个端口的功率。

优选地，设定TE11模式极化方向与3号端口和7号端口连线成χ夹角，极化角度χ的计算方法如公式(2)所示：

其中，极化角度的取值范围为0°～22.5°，极化角度用于辅助判断混合模式比。

优选地，3号端口和7号端口模式混合比ρ的计算方法如公式(3)所示：

其中，模式混合比ρ小于10％。

优选地，TE11模式和TM01模式的相位差为0°的情况下，八个端口对应端的平均功率均与极化角度χ和模式混合比ρ相关。

优选地，TE11模式和TM01模式的相位差为0°的情况下，八个端口对应端的平均功率与待拟合系数b与极化角度χ相关。

优选地，极化角度较小时，误差较大；极化角度较大，误差较小。

优选地，在S3中，当八个端口的微波功率值中存在明显的最大值和最小值时：

1)根据最大值和最小值判断TE11模式大致的极化方向；

2)根据最大值相邻两端口功率，判断TE11模式的极化方向偏向哪一侧。

优选地，在步骤1)中，TE11模式的极化方向大致为最大值和最小值对应端口的连线方向。

优选地，在步骤2)中，极化方向偏向微波功率参数与最大值更为接近的端口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，可以用于高功率微波在线测量中对传输的TM01模式进行诊断，分析其中是否混有TE11模式，并分析出TE11模式的含量。该诊断方法受实际测量中相位差的影响很小，可以计算出干扰模式的百分比含量，为高功率微波系统的模式纯度监测提供了一种方法，该方法的优点在于受模式间相位差影响小，诊断误差较小，方法简单且可靠。

进一步地，TE11模式和TM01模式的相位差为0°的情况下，八个端口对应端的平均功率均与极化角度χ和模式混合比ρ相关，则说明平均功率的大小受极化角度和模式混合比两个参数的影响；八个端口对应端的平均功率与待拟合系数b与极化角度χ相关，则说明平均功率的大小受待拟合系数和极化角度影响。

进一步地，TE11模式极化与八个端口对应端连线形成的极化角度相差较大，得到的极化角度与设定值近似。

附图说明

图1为圆波导TM01模式的场分布图；

图2为圆波导TE11模式的场分布图；

图3为本发明的圆波导TE11极化方向对应的极化角；

图4为本发明的混合模式诊断方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

很多微波系统主要利用圆波导TM01模式进行传输，但实际工程中可能混杂少量的TE11模式，需要对其模式混合情况进行诊断分析。本发明为了解决目前缺少此种诊断方法的问题提出了一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，可用于高功率微波传输在线测量中对微波模式进行诊断。

本发明公开了一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，包括以下步骤：

S1、用纯TM01模式的激励器对八孔圆波导耦合器的各端口耦合度进行调整，使各端口耦合度一致；

S2、采集八孔圆波导耦合器八个端口的微波功率，记为P1～P8；

S3、根据S2获得的八个端口的微波功率P1～P8进行分析：

若八个端口的微波功率一致，则诊断为纯TM01模式；

若八个端口的微波功率不一致，则诊断TM01模式中混有TE11模式。

具体的：在实际测量中，八个端口的微波功率参数可以用微波缆导入检波器、示波器进行读取，读取出的微波功率参数不同，存在明显差异，则代表TM01模式不纯。在S3中，具体的当八个端口的微波功率值中存在明显的最大值与最小值时，则说明TM01模式中混有TE11模式：

1)根据最大值与最小值，判断TE11模式大致的极化方向，TE11模式的极化方向大致为最大值和最小值对应端口的连线方向；

2)根据与最大值相邻两端口功率，判断TE11模式的极化方向偏向哪一侧；极化方向偏向微波功率参数与最大值更为接近的端口。

计算出八个端口功率的平均功率

与各对向端口的平均功率：

为1号孔和5号孔的平均功率，

为2号孔和6号孔的平均功率，

为3号孔和7号孔的平均功率，

为4号孔和8号孔的平均功率，八个端口的平均微波功率

与八个端口对应端口的平均功率计算方法如公式(1)所示：

其中，p₁,p₂,…,p₈分别代表八个端口的功率。

参见图1、图2，根据圆波导TM01模式与TE11模式的场分布，当圆波导中传输的是纯TM01模式时，耦合器八个端口所测得的功率大小完全相同；当圆波导中传输的模式不纯，仅含有TE11模式的一种模式时，八个端口测得的功率大小将会存在差异。这些差异可以用来判断TM01中是否混合了TE11模式，以及它的含量和极化方向。

设TE11模式极化方向为3号端口和7号端口的连线方向，极化角度χ的计算方法如公式(2)所示：

3号端口和7号端口模式混合比ρ的计算方法如公式(3)所示：

定性分析可以得出，此时3号端口与7号端口测出的功率受TE11的影响最大，端口1与端口5测出的功率受TE11模式含量影响较小。2号端口与4号端口对称，测出的功率相等。6端口与8端口也对称，测出的功率也相等。

在实际的微波系统中，TE11模式的极化方向通常是随机方向，因此需要考虑TE11模式的极化方向对八个端口测得功率的影响。假定TE11模式极化方向与3端口和7端口连线方向成χ夹角，参见图3。由于八个端口角向间隔为45°，因此只需要考虑χ在0～22.5°范围内的情况即可。

设P1、P2…、P8代表各端口的功率，在9.7GHz情况下，用CST仿真了8个端口的功率变化情况。

首先，在圆波导中输入混合总功率为1GW、TE11模式含量ρ为10％的情况下，仿真了TE11模式的极化角度χ从0～22.5°变化时、两模式之间的相位差从0～360°变化时，八个端口的功率变化情况。我们对这些数据进行了分析，发现，8个孔的平均功率

与模式之间相位差呈现出较弱的关系，同时，3、7号孔的平均功率

2、6号孔的平均功率

4、8号孔的平均功率

1、5号孔的平均功率

也与相位差关系不密切。

其次，在圆波导中输入混合总功率为1GW、两个模式在耦合孔处的相位差为0°时，我们仿真了TE11模式的极化角度χ从0～22.5°变化时、模式含量ρ从0～10％变化时，八个端口的功率变化情况。仿真结果显示，当传输的为纯TM01模式时，八个端口功率基本一致。当传输微波中混有TE11模式时，端口3与端口7功率发生明显变化，TE11混合比例越高，这种变化也越大，这正是我们判断TE11比例的基础。在存在TE11模式时，端口2和端口4的功率从对称变化成非对称，端口6和端口8的功率也从对称变化成非对称，且当TE11的极化角度增加时，这种非对称现象越加明显，这种非对称性正是我们判断TE11极化方向的基础。

在两个模式的相位差为0°的情况下，研究发现，

都与极化角度χ和模式混合比ρ有关，且可以用式1所示的线性关系近似表示如公式(4)所示：

其中，待测系数b_1,5(χ)表示为

与模式混合比ρ的关系，待测系数b_3,7(χ)表示为

与模式混合比ρ的关系，待测系数b_2,6(χ)表示为

与模式混合比ρ的关系，待测系数b_4,8(χ)表示为

与模式混合比ρ的关系。

用相位差为0°时的端口功率数据进行分析，得到了式1中待拟合的系数b与极化角度χ之间的关系，如公式(5)所示：

综上，可以采用公式(2)和公式(3)进行TE11模式混合比的计算，用公式(2)进行了TE11模式混合比的计算，并与仿真设定值进行了比较。参见表1。

表1输入总功率为1GW，相位差为0时的计算与仿真设定值的比较

从上述验算结果看，采用公式(2)计算出的TE11模式混合比例与仿真设定的基本吻合。在设定的极化角度较大时，计算出来的极化角度与设定值接近，但是在设定的极化角度较小时，计算出来的极化角度与设定值有一些差别。

通过对上述分析，本发明所提供的模式诊断方法可通过耦合器的八个端口测得的功率，判断传输的微波是否为纯TM01模式，并且能判断出TE11模式大致的极化方向以及TE11模式的含量。本发明提供的诊断方法大致流程参见图4，具体判断方法如下：

第一步：用纯TM01模式的激励器，对耦合器的各个端口的耦合度进行调整，使其一致。

第二步：在混合模式下，测量出各端口的微波功率。

第三步：根据八个端口的微波功率是否一致来判断传输微波中是否含有TE11模式。

具体的，依据最大值与最小值端口，标出对应的3口和7口，并按照图3标出相应的其它口编号。

利用端口2与端口4，端口6与端口8功率的非对称性，判断出极化角度落在端口3与端口7连线的哪一侧。若

表示落在端口3与4之间，即图3所示情况一致；反之，落在3与2之间。

利用公式(2)和公式(3)，计算出TE11模式的百分比含量ρ。

综上所述，本发明提供了一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，解决了高功率在线测量系统中，如何对传输微波的模式纯度进行监测以及对混合模式含量进行检测的问题，提出的方法基于八孔圆波导耦合器，对其测得功率进行分析，具有受相位差影响小、诊断方法简单可靠等优点。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、用纯TM01模式的激励器对八孔圆波导耦合器的各端口耦合度进行调整，使各端口耦合度一致；

S2、采集八孔圆波导耦合器八个端口的微波功率，记为P1～P8；

S3、根据S2获得的八个端口的微波功率P1～P8进行分析：

若八个端口的微波功率一致，则诊断为纯TM01模式；

若八个端口的微波功率不一致，则诊断TM01模式中混有TE11模式；

当八个端口的微波功率值中存在明显的最大值和最小值时：

1)根据最大值和最小值判断TE11模式大致的极化方向，TE11模式的极化方向大致为最大值和最小值对应端口的连线方向；

2)根据最大值相邻两端口功率，判断TE11模式的极化方向偏向哪一侧，极化方向偏向微波功率参数与最大值更为接近的端口。

2.根据权利要求1所述的基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，其特征在于，八个端口的平均微波功率

与八个端口对应端口的平均功率计算方法如公式(1)所示：

其中，

为1号孔和5号孔的平均功率，

为2号孔和6号孔的平均功率，

为3号孔和7号孔的平均功率，

为4号孔和8号孔的平均功率，p₁,p₂,…,p₈分别代表八个端口的功率。

3.根据权利要求2所述的基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，其特征在于，设定TE11模式极化方向与3号端口和7号端口连线成χ夹角，极化角度χ的计算方法如公式(2)所示：

其中，极化角度的取值范围为0°～22.5°，极化角度用于辅助判断混合模式比。

4.根据权利要求3所述的基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，其特征在于，3号端口和7号端口模式混合比ρ的计算方法如公式(3)所示：

其中，模式混合比ρ小于10％。

5.根据权利要求4所述的基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，其特征在于，TE11模式和TM01模式的相位差为0°的情况下，八个端口对应端的平均功率均与极化角度χ和模式混合比ρ相关。

6.根据权利要求4所述的基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，其特征在于，TE11模式和TM01模式的相位差为0°的情况下，八个端口对应端的平均功率与待拟合系数b与极化角度χ相关。

7.根据权利要求4所述的基于八孔耦合器的圆波导TE11与TM01混合模式诊断方法，其特征在于，极化角度较小时，误差较大；极化角度较大，误差较小。

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