CN113937438A - 一种双口输出微波模式变换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双口输出微波模式变换装置及方法，包括圆波导和矩形波导，所述矩形波导设置在圆波导的周壁上，所述矩形波导的内部腔体与圆波导的内部腔体连通；两个所述矩形波导沿圆波导的轴线对称布置；所述圆波导上的微波输入口与微波输入端连接，用于输入TM01模式微波；所述矩形波导用于输出转换模式后的TE10模式微波；所述圆波导上设置有短路面，所述短路面与圆波导上的微波输入口相对设置。目的在于通过采用双臂波导输出方式，可显著提升变换装置的功率容量，大大拓展装置的可用范围。
Description
技术领域
本发明属于微波模式转换技术领域，具体涉及一种双口输出微波模式变换装置及方法。
背景技术
多数的高功率微波源，如轴向提取或输出的虚阴极振荡器、相对论返波管、相对论磁控管等具有旋转对称结构，为了保证输出波导能够承受足够的微波功率，通常采用圆波导输出形式，所产生的微波模式通常为旋转对称的TM01模，其轴向中心为零点，能量分散到零点周围，非常不利于高功率微波的定向辐射与传输。为了实现高效率的定向辐射，通常需要将圆波导TM01模变换为具有轴向最大辐射的TE11模，或者变换为矩形波导的主模即TE10模，以便实现高效高增益的定向辐射。
为了解决同轴TEM模到TE11模的模式变换问题，2006年丁敦高在其《紧凑型L波段圆波导TM01-TE11模式转换器研究》学位论文中提到一种TM01-TE11模式转换器，该转换器在轴线方向上首先由圆波导过渡到同轴波导，然后由同轴波导过渡到矩形波导，最后再由矩形波导过渡成圆波导输出TE11模。2008年唐世荣等人在《微波学报》24(6)期《介质填充圆波导中TM01-TE11模式变换的理论和实验研究》中提出，先将圆波导变成同轴线，再分成两个半圆波导，在一个半圆波导中填充介质，使两个半圆波导中TE11模相位产生半周期相差，可变换成圆波导TE11模。以上两种变换装置具有输入和输出同轴的特点，但是整个转换装置的结构复杂，尺寸较大，尤其是轴向长度太长，不利于系统使用。对TM01-TE10模式转换器，2011年赵立山等人在《强激光与粒子束》23(11)期《低过模高功率微波方圆模式转换器设计》中提出了一种低过模高功率微波方圆模式转换器，能够实现TM01模式到矩形TE10模式的高效转换，但是单个矩形波导输出口的场强相对集中，在高功率输入条件下可能出现射频打火现象，这将限制整个装置的功率容量。2015年郭乐田等人在《强激光与粒子束》27(9)期《圆波导TM01-矩形波导TE10模式转换器》中提出一种侧壁耦合式可调谐模式转换器，可以实现圆波导TM01模式到矩形TE10模式的之间的相互转换，但是由于包含了多个波导分支段，结构不够紧凑，不便于系统集成。
发明内容
为了克服高功率输入条件下的圆波导微波模式变换以及到矩形波导的输出问题。提供一种双口输出微波模式变换装置及方法，可将输入圆波导的TM01模式微波能量转换为矩形波导输出的TE10模式，便于直接端接喇叭和波导缝隙阵列等天线进行高效率辐射。当微波功率极高的时候，波导转接不连续的位置会因为局部场强的集中而出现击穿打火的现象，造成单个波导口输出存在功率容量不足的情况。通过采用双臂波导输出方式，可显著提升变换装置的功率容量，大大拓展装置的可用范围。
本发明所采用的技术方案是：一种双口输出微波模式变换装置，包括圆波导和矩形波导，所述矩形波导设置在圆波导的周壁上，所述矩形波导的内部腔体与圆波导的内部腔体连通；两个所述矩形波导沿圆波导的轴线对称布置；
所述圆波导上的微波输入口与微波输入端连接，用于输入TM01模式微波；
所述矩形波导用于输出转换模式后的TE10模式微波；
所述圆波导上设置有短路面，所述短路面与圆波导上的微波输入口相对设置。
优选的，所述短路面与圆波导一体设置，所述短路面距离矩形波导外壁面的距离为1/4入射波的波长。
优选的，两个所述矩形波导分别为第一矩形波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导上设置有第一矩形波导输出口，所述第二矩形波导上设置有第二矩形波导输出口，所述第一矩形波导输出口与第二矩形波导输出口同向设置。
优选的，两个所述矩形波导分别为第一矩形波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导上设置有第一矩形波导输出口，所述第二矩形波导上设置有第二矩形波导输出口，所述第一矩形波导输出口与第二矩形波导输出口反向设置。
优选的，所述圆波导和矩形波导之间设置有过渡矩形波导，所述过渡矩形波导为90°转弯矩波导。
优选的，所述90°转弯矩波导的转弯面为一斜面，所述斜面与圆波导轴线的夹角为120°。
优选的，所述圆波导与矩形波导连接的位置设置倒角，所述倒角为倒圆角，所述倒角的圆心位于圆波导的外侧；所述倒角的半径为5mm，所述倒角设置在矩形波导的长边处。
优选的，所述圆波导的直径为90mm，长度为200mm；所述矩形波导长边为72mm，短边为34mm。
一种双口输出微波模式的方法，包括以下步骤：
S1：在半密封的圆波导的微波输入口处输入TM01模式微波；
S2：对圆波导与矩形波导内强电场区域进行倒角处理，使得该强电场区域的场强减小一半以上；
S3：输入圆波导的微波经过与圆波导连接的矩形波导耦合后，从双口矩形波导的微波输出口输出两路TE10模式微波；两路TE10模式微波同频同相。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明中，通过圆波导输入的TM01模微波在圆波导与金属端盖组成的半封闭圆筒中进行传播波型的变换，通过圆波导壁上的矩形开孔实现微波能量向矩形波导的耦合，从而最终在矩形波导口实现TE10模式的微波输出，采用对称结构实现双口输出，以提高输出功率容量；本发明装置结构紧凑易于实现；
2)本发明中双口输出的微波同频同相，有利于在外部合成，采用对称结构双口输出总功率容量相较于单口输出功率容量达到两倍以上；且在圆波导与矩形波导连接的位置采用倒圆角设置，可有效提高该模式转换段功率容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的一种实施例；
图2为本发明的第二种实施例；
图3为本发明的第三种实施例；
图4为圆波导输入口的微波模式；
图5为矩形波导输出口的微波模式；
图6为双口输出微波模式变换装置内部电场分布；
图7为双口输出微波模式变换装置的传输及反射特性。
图中：1-微波输入口；2-圆波导；3-第一矩形波导；4-第一矩形波导输出口；5-第二矩形波导；6-第二矩形波导输出口；7-短路面。
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。
实施例一
一种双口输出微波模式变换装置，包括圆波导2和矩形波导，所述矩形波导设置在圆波导2的周壁上，所述矩形波导的内部腔体与圆波导2的内部腔体连通；两个所述矩形波导沿圆波导2的轴线对称布置，从而使得输出的两路TE10模式微波为同频同相；
所述圆波导2上的微波输入口1与微波输入端连接，用于输入TM01模式微波；圆波导2用于馈入和传输微波能量，包含圆波导本体以及与之匹配的连接法兰，圆波导2内传输的微波模式为TM01，波导内自身功率容量相对较高，可以保证馈入装置的功率满足要求。
所述矩形波导用于输出转换模式后的TE10模式微波；所述矩形波导用于将微波能量耦合输出，包含矩形波导本体以及与之匹配的连接法兰，矩形波导内传输的微波模式为TE10，波导内自身功率容量相对圆波导要低，因此采用对称布局的形式进行双口输出，可以大幅提升输出功率容量。
所述圆波导2上设置有短路面7，所述短路面7与圆波导2上的微波输入口1相对设置。短路面7用于实现微波能量的反射，为保证装置的密封性能，短路面7可与圆波导焊接成一体，形成一个半封闭圆筒。
所述短路面7也可以与圆波导2一体设置，所述短路面7距离矩形波导外壁面的距离为1/4入射波的波长，从而保证微波的耦合输出。
如图1所示，两个所述矩形波导分别为第一矩形波导3和第二矩形波导5，所述第一矩形波导3上设置有第一矩形波导输出口4，所述第二矩形波导5上设置有第二矩形波导输出口6，所述第一矩形波导输出口4与第二矩形波导输出口6同向设置。第一矩形波导输出口4与第二矩形波导输出口6所输出的微波方向相同。
所述圆波导2和矩形波导之间设置有过渡矩形波导，所述过渡矩形波导为90°转弯矩波导。所述90°转弯矩波导的转弯面为一斜面，所述斜面与圆波导2轴线的夹角为120°。
如图4-6所示，为双口输出微波模式变换装置输入输出口的电场分布，圆波导3输入口的电场为中心到外导体之间的径向，微波模式为TM01模；矩形波导输出口的电场垂直于两个宽边，且中间强，两边弱，微波模式为TE10模。该模式转换结构中场强最强点位于圆波导与矩形波导的连接处，在1W输入功率时其最大电场强度为807V/m，即1GW输入功率时其电场强度约为26MV/m，2GW输入功率时其电场强度约为36MV/m。
图6为双口输出微波模式变换装置内部电场分布，从图中可以看出装置内部的电场分布状态，在矩形波导和圆波导2的连接位置的倒角处电场强度最强(浅颜色表示)；圆波导2内部的电场强度为中间强、圆周处弱。
实施例二
与上述实施例不同之处在于，本实施例中，两个所述矩形波导分别为第一矩形波导3和第二矩形波导5，所述第一矩形波导3上设置有第一矩形波导输出口4，所述第二矩形波导5上设置有第二矩形波导输出口6，所述第一矩形波导输出口4与第二矩形波导输出口6反向设置。
如图2-3所示，为第一矩形波导输出口4与第二矩形波导输出口6反向设置的实施例，也即第一矩形波导输出口4与第二矩形波导输出口6所输出的微波即可以上下两侧相反(如图2)，也可以左右两侧相反(如图3)，具体方向可根据实际使用需求选择。
实施例三
与上述实施例不同刚指出在于，为了提高该模式转换段功率容量，在所述圆波导2与矩形波导连接的位置设置倒角，所述倒角为倒圆角，所述倒角的圆心位于圆波导2的外侧；所述倒角的半径为5mm，所述倒角设置在矩形波导的长边处。
所述圆波导2的直径为90mm，长度为200mm；所述矩形波导长边为72mm，短边为34mm。
进行倒角处理后，在1W输入功率时，该模式转换结构最强场强(倒角处)由807V/m减小为542V/m，此时在1GW输入功率时其最强电场强度约为17MV/m，2GW输入功率时其最强电场强度约为24MV/m，3GW输入功率时其最强电场强度约为30MV/m。
在圆波导与矩形波导交接处添加倒角后，双口输出微波模式变换装置整体的传输及反射特性如图7所示。可知该模式转换结构在工作频带范围内，其微波输入口1的反射系数小于-20dB，而微波输入口1到两个矩形输出波导端口(第一矩形波导输出口4与第二矩形波导输出口6)的传输系数约为3dB，接近理想情况。
实施例四
基于上述的双口输出微波模式变换装置，提供了一种双口输出微波模式的方法，包括以下步骤：
S1：在半密封的圆波导的微波输入口处输入TM01模式微波；
S2：对圆波导与矩形波导内强电场区域进行倒角处理，使得该强电场区域的场强大幅降低；
S3：输入圆波导的微波经过与圆波导连接的矩形波导耦合后，从双口矩形波导的微波输出口输出两路TE10模式微波；两路TE10模式微波同频同相。
本发明的双口输出微波模式变换装置可以采用不锈钢、铝合金等不同材质的金属进行加工制造，可以采用整体铸造或者分段加工焊接等工艺进行实现；
矩形输出波导采用S波段BJ32标准波导尺寸，波导长边取72.1mm，波导短边取34mm；通过三维电磁场仿真计算，对整个结构中场强最强点——圆波导与矩形波导连接处进行倒角处理，优化尺寸为倒圆角R5mm；根据实际使用情况，输入圆波导和输出矩形波导的长度可以适当调节，端口处可以设计相应尺寸的安装法兰，不影响双口输出微波模式变换装置的电气性能。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种双口输出微波模式变换装置，其特征在于：包括圆波导(2)和矩形波导，所述矩形波导设置在圆波导(2)的周壁上，所述矩形波导的内部腔体与圆波导(2)的内部腔体连通；两个所述矩形波导沿圆波导(2)的轴线对称布置；
所述圆波导(2)上的微波输入口(1)与微波输入端连接，用于输入TM01模式微波；
所述矩形波导用于输出转换模式后的TE10模式微波；
所述圆波导(2)上设置有短路面(7)，所述短路面(7)与圆波导(2)上的微波输入口(1)相对设置。
2.根据权利要求1所述的双口输出微波模式变换装置，其特征在于：所述短路面(7)与圆波导(2)一体设置，所述短路面(7)距离矩形波导外壁面的距离为1/4入射波的波长。
3.根据权利要求1所述的双口输出微波模式变换装置，其特征在于：两个所述矩形波导分别为第一矩形波导(3)和第二矩形波导(5)，所述第一矩形波导(3)上设置有第一矩形波导输出口(4)，所述第二矩形波导(5)上设置有第二矩形波导输出口(6)，所述第一矩形波导输出口(4)与第二矩形波导输出口(6)同向设置。
4.根据权利要求1所述的双口输出微波模式变换装置，其特征在于：两个所述矩形波导分别为第一矩形波导(3)和第二矩形波导(5)，所述第一矩形波导(3)上设置有第一矩形波导输出口(4)，所述第二矩形波导(5)上设置有第二矩形波导输出口(6)，所述第一矩形波导输出口(4)与第二矩形波导输出口(6)反向设置。
5.根据权利要求1所述的双口输出微波模式变换装置，其特征在于：所述圆波导(2)和矩形波导之间设置有过渡矩形波导，所述过渡矩形波导为90°转弯矩波导。
6.根据权利要求5所述的双口输出微波模式变换装置，其特征在于：所述90°转弯矩波导的转弯面为一斜面，所述斜面与圆波导(2)轴线的夹角为120°。
7.根据权利要求1所述的双口输出微波模式变换装置，其特征在于：所述圆波导(2)与矩形波导连接的位置设置倒角，所述倒角为倒圆角，所述倒角的圆心位于圆波导(2)的外侧；所述倒角的半径为5mm，所述倒角设置在矩形波导的长边处。
8.根据权利要求7所述的双口输出微波模式变换装置，其特征在于：所述圆波导(2)的直径为90mm，长度为200mm；所述矩形波导长边为72mm，短边为34mm。
9.一种双口输出微波模式的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在半密封的圆波导的微波输入口处输入TM01模式微波；
S2：对圆波导与矩形波导内强电场区域进行倒角处理，使得该强电场区域的场强减小一半以上；
S3：输入圆波导的微波经过与圆波导连接的矩形波导耦合后，从双口矩形波导的微波输出口输出两路TE10模式微波；两路TE10模式微波同频同相。
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