CN113745772A - 一种工作于c波段的矩形波导te10-圆波导tm01模式转换器及转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作于C波段的矩形波导TE10‑圆波导TM01模式转换器及转换方法属微波模式转换器领域，旨在解决缺少C波段的矩形波导TE10‑圆波导TM01模式转换器及转换效率低的问题。本发明提出的模式转换器将矩形波导结构和矩形槽结构连接起来实现电磁波的模式转换，再对矩形波导结构的上方设置圆波导结构，将转换为圆波导TM01模式的电磁波输入圆波导结构中，通过对圆波导结构上设置阻抗匹配结构来调整圆波导结构中的电磁波实现输出，通过以上部件实现模式转换，结构简单。本发明提出的模式转换器利用CST电磁仿真软件验证了转换器具有较高的模式转换性能，具有能量高效传输、低反射和低损耗的优点，在微波模式转换领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微波模式转换器领域，涉及一种工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器及转换方法。
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。而高功率微波系统的运作离不开高功率微波的传导结构，其中模式转换器作为微波源与各传输线之间的连接部分尤为重要。
模式转换器是一类常见的微波系统器件，传统高功率微波产生器件产生TM01模式，对高功率微波的多路合成以及辐射，一般需要先将TM01模式转换成线极化的圆波导TE11模式或矩形波导TE10模式。高功率微波在传输时为了方便控制模式，经常需要根据不同形式的波导进行模式转换。现有的模式转换器大都主要工作在X波段，工作中心频率一般在8GHz与10GHz附近，极少有工作于C波段的模式转换器。且目前的模式转换器多数为圆波导-圆波导，矩形波导-矩形波导转换，缺少工作于C波段的矩形波导-圆波导模式转换器。
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工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器及转换方法，旨在解决现有技术中缺少工作于C波段，且不能实现矩形波导-圆波导转换的缺陷性问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提出的一种工作于C波段的矩形TE10-圆波导TM01模式转换器，包括矩形波导结构和圆波导结构；
所述圆波导结构位于矩形波导结构的上方，圆形波导结构的上方连接有阻抗匹配段结构，矩形波导结构的下方安装有矩形槽结构。
优选地，矩形波导结构包括传输波导段和截止波导段，传输波导段与截止波导段通过矩形槽结构隔开，传输波导段的长度大于截止波导段的长度。
优选地，圆波导结构的轴心位于传输波导段和截止波导段交界处。
优选地，传输波导段端口开放，用于输入微波。
优选地，截止波导段端口封闭，用于截止微波。
优选地，矩形槽结构的中心与圆波导结构的轴心重合。
优选地，圆波导结构的轴心与阻抗匹配段结构的轴心重合。
优选地，阻抗匹配段结构由3段阶梯式圆波导构成。
本发明还提出了一种工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器的转换方法，包括如下步骤：
S1、电磁波由矩形波导结构输入矩形波导TE10模式；
S2、根据矩形槽结构和矩形波导结构将电磁波转换为圆波导TM01模式，并将转换为圆波导TM01模式的电磁波输入圆波导结构中；
S3、通过阻抗匹配段结构调整圆波导结构中的电磁波后，再输出圆波导TM01模式。
优选地，在S2中，采用矩形槽结构和矩形波导结构的截止波导段将电磁波转化为圆波导TM01模式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的一种工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器结构，本发明提出的模式转换器结构根据微波传输方向由矩形波导结构、矩形槽结构、圆波导结构和阻抗匹配段结构构成，通过在矩形波导结构的上方设置圆波导结构，就能实现模式转换结构简单，再对圆波导结构上设置阻抗匹配段结构能够调整电磁波。本发明可以将C波段的电磁波，由矩形波导TE10模式转换为圆波导TM01模式，具有高转换效率、低反射和低干扰的特点，并且结构简单，易于加工，可用于各种高功率微波器件在低功率下的标定监测系统中，在高功率微波器件的测试和高功率微波系统中有着重要的实际应用价值。
进一步地，传输波导段和截止波导段通过矩形槽结构隔开，能够调整混合模式激励器的性能；矩形波导传输段的长度大于矩形波导截止段的长度，目的是为了提高微波的传输效率，降低反射。
进一步地，圆波导结构的轴心与阻抗匹配段结构轴心重合，能够加快电磁波在转换器中的传输速度。
进一步地，传输波导段端口开放，能够用来输入微波；截止波导段端口封闭，能够用来截止微波。
进一步地，根据切比雪夫阻抗变换段原理，阻抗匹配段采用三阶切比雪夫阻抗变换段。
本发明还提出了一种工作于C波段的矩形TE10-圆波导TM01模式转换器的转换方法，将适用于C波段的普通矩形波导与圆波导结合，电磁波由矩形波导口输入矩形TE10模式，由矩形槽结构以及矩形波导截止段将其转换为圆波导TM01模式，输入到圆波导部分，最终由阻抗匹配部分调整后输出圆波导TM01模式，本发明提出的转换方法操作步骤简单，便于理解，在微波模式转换领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器内部真空部分结构示意图；
图2为图1的后视图；
图3为图1的左视图；
图4为本发明CST仿真矩形波导TE10模式S11参数图；
图5为本发明CST仿真圆波导TM01模式S21参数图。
其中：1-矩形波导结构；2-矩形槽结构；3-圆波导结构；4-阻抗匹配段结构；5-传输波导段；6-截止波导段。
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：
如图1所示，为本发明公开的带矩形槽结构的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器结构，包括矩形波导结构1、矩形槽结构2、圆波导结构3和阻抗匹配段结构4，参照图2所示，为本发明公开的带矩形槽的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器结构的后视图，矩形波导结构1分为传输波导部分5与截止波导部分6，传输波导部分5与截止波导部分6的中间由矩形槽结构2隔开。如果没有矩形槽结构2，传输段1和截止段3为一个整体。加入矩形槽结构2是为了调整转换器性能，提高模式转换的效率，避免出现干扰模式。
参照图3所示，矩形槽结构2的中心与圆波导结构3的轴心重合，圆波导结构3的轴心与阻抗匹配段结构4的轴心重合。矩形波导结构1由矩形槽结构2隔开，传输波导部分5为较长的部分，端口开放，用于输入微波；截止波导部分6为较短的部分，端口封闭，传输波导段5和截止波导段6的长度都为特定值，在传输波导段5的长度大于截止波导段6的长度时，能提高微波的传输效率，降低反射。阻抗匹配段结构4由3段阶梯式圆波导构成，根据切比雪夫阻抗变换段原理，阻抗匹配段采用的是三阶切比雪夫阻抗变换段。圆波导结构3的轴心位于传输波导段5和截止波导段6交界处。
以下对本发明的结构进行具体的设计并结合数据进行说明，该模式转换器的全部结构由金属材料制成。
参见图1、图2，本实施例中，传输波导部分5的输入端面长为47.55mm，宽为22.15mm，沿微波输入方向的长度为97mm；矩形槽结构2与输入端面平行面的长为90mm，宽为29mm，沿微波输入方向的长度为22.2mm；截止波导部分6与输入端面平行面的长为47.55mm，宽为22.15mm，沿微波输入方向的长度为65mm。
圆波导结构3的直径为64.8mm，高为170.6mm。阻抗匹配段结构4由3段阶梯式圆波导构成，由下至上，第一段直径为72mm，高为14.4mm；第二段直径为92.8mm，高为14.6mm；第三段直径为110mm，高为51.06mm。
对上述得到的带矩形槽结构的模式转换器通过以下仿真实验进一步说明其性能：
利用CST电磁仿真软件对上述天线进行建模和仿真处理后，矩形波导TE10模式的S11参数和圆波导TM01模式的S21参数分别如图4和图5所示。通过图4可以看到，矩形波导TE10模式的S11参数在4.07～4.40GHz频带内小于-15dB，通过图5可以看到，圆波导TM01模式的21参数在4.07～4.42GHz频带内大于-0.2dB，充分说明本申请提出的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器具有较高的模式转换性能，具有能量高效传输、低反射和低损耗的优点。
本发明还提出了一种工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器的转换方法，包括以下步骤：
S1、电磁波由矩形波导结构1输入矩形波导TE10模式；
S2、根据矩形槽结构2和矩形波导结构1将电磁波转换为圆波导TM01模式，并将转换为圆波导TM01模式的电磁波输入圆波导结构3中；
S3、通过阻抗匹配段结构4调整圆波导结构3中的电磁波后，再输出圆波导TM01模式。
进一步地，在S2中，采用矩形槽结构2和矩形波导结构1的截止波导段6将电磁波转化为圆波导TM01模式。
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 (10)
1.一种工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，包括矩形波导结构(1)和圆波导结构(3)；
所述圆波导结构(3)位于矩形波导结构(1)的上方，圆形波导结构(3)的上方连接有阻抗匹配段结构(4)，矩形波导结构(1)的下方安装有矩形槽结构(2)。
2.根据权利要1所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，矩形波导结构(1)包括传输波导段(5)和截止波导段(6)，传输波导段(5)与截止波导段(6)通过矩形槽结构(2)隔开，传输波导段(5)的长度大于截止波导段(6)的长度。
3.根据权利要2所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，圆波导结构(3)的轴心位于传输波导段(5)和截止波导段(6)交界处。
4.根据权利要2所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，传输波导段(5)端口开放，用于输入微波。
5.根据权利要2所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，截止波导段(6)端口封闭，用于截止微波。
6.根据权利要1所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，矩形槽结构(2)的中心与圆波导结构(3)的轴心重合。
7.根据权利要1所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，圆波导结构(3)的轴心与阻抗匹配段结构(4)的轴心重合。
8.根据权利要1所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器，其特征在于，阻抗匹配段结构(4)由3段阶梯式圆波导构成。
9.采用权利要1～8任意一项所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器的转换方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、电磁波由矩形波导结构(1)输入矩形波导TE10模式；
S2、根据矩形槽结构(2)和矩形波导结构(1)将电磁波转换为圆波导TM01模式，并将转换为圆波导TM01模式的电磁波输入圆波导结构(3)中；
S3、通过阻抗匹配段结构(4)调整圆波导结构(3)中的电磁波后，再输出圆波导TM01模式。
10.根据权利要求9所述的工作于C波段的矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器的转换方法，其特征在于，在S2中，采用矩形槽结构(2)和矩形波导结构(1)的截止波导段(6)将电磁波转化为圆波导TM01模式。
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