CN114566773B - 螺旋光栅槽加载的圆波导tm01-te01模式转换器 - Google Patents

螺旋光栅槽加载的圆波导tm01-te01模式转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01‑TE01模式转换器，属于微波波导技术领域。该转换器包括共轴且依次连接的输入圆波导、输入渐变段、模式变换段、输出渐变段、输出圆波导；输入渐变段和输出渐变段为半径线性渐变的喇叭形状；模式变换段为内壁设置有等距螺旋光栅槽的圆波导，等距螺旋光栅槽由若干螺旋凹槽周期排列组成。本发明将反射光栅理论与波导模式传输理论相结合，通过在圆波导的内壁加载螺旋光栅槽，具有传输效率高、结构紧凑、尺寸小等优点，解决了以往模式变换器尺寸大、加工难度大等问题。

Description

螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01 模式转换器
技术领域
本发明属于微波波导技术领域，具体涉及一种具有小尺寸、高转化率、紧凑的螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器。
背景技术
随着高功率微波技术的发展，工作在不同波形或模式器件的需求也越来越大。当考虑到整体系统的构建时，不同器件的连接与传输就越发重要，因而模式的转换就成为了其中重要的一环。
圆波导TE01模式由于其竞争模式相对较少和高频下的传输损耗低的优势，适合作为毫米波的远距离传输。然而TE01模式难以直接产生，一般高功率微波源和振荡器的输出模式为圆波导TM01模，因此需要设计TM01到TE01模式转换器以满足长距离传输的系统需求。
TM01到TE01模式转换器的模式转换器设计思路主要有以下几种：1)以TM11作为中间过渡模式，通过同轴插板结构和半径扰动模式转换结构将圆波导TM01模转化TM11模式，然后通过90°弯曲波导实现TM11模式到TE01模式的转化，如图1(a)所示；2)以TE11模作为中间过渡模式，通过添加金属分割片及半金属管壳模式变换器将TM01转换为TE11模式，然后通过轴线弯曲形模式变换器转换为TE01模式，如图1(b)所示；3)以矩形波导TE10模作为中间过渡模式，先通过8个矩形E面90°弯曲波导将输入端圆波导内的TM01模提取出来转化为矩形波导内的TE10模，再通过90°的矩形扭波导与另一侧的矩形H面90°弯曲波导对接，最后接入输出圆波导转化为圆波导TE01模式，如图1(c)所示。
上述的方案的设计思路均是引入中间过渡模式利用多级的转化和分段实现模式转换，这会导致模式转换器的尺寸庞大且结构复杂，使工艺实现的难度显著增加。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构紧凑、实现工艺简单的圆波导TM01到TE01模式转换器，通过在圆波导的内壁加载螺旋光栅槽，将反射光栅理论与波导模式传输理论相结合，具有传输效率高、结构紧凑、尺寸小等优点，解决了以往模式变换器尺寸大、加工难度大等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，包括共轴且依次连接的输入圆波导、输入渐变段、模式变换段、输出渐变段、输出圆波导；其特征在于，所述输入渐变段和输出渐变段为半径线性渐变的喇叭形状；所述模式变换段为内壁设置有等距螺旋光栅槽的圆波导，所述等距螺旋光栅槽由若干螺旋凹槽周期排列组成。
进一步地，所述螺旋凹槽对应的螺旋线的升角为45°。
进一步地，所述模式变换段的内半径R1为0.8λg-0.83λg，λg为波导波长。
进一步地，所述螺旋凹槽的底部为光滑曲面，且螺旋凹槽与圆波导内壁的连接处也为光滑曲面。
进一步地，所述模式变换段、输入圆波导、输出圆波导的内半径相同，均为R1。
进一步地，所述模式变换段的长度L为1.95R1～1.98R1。
进一步地，所述螺旋凹槽的深度UH为0.3R1～0.32R1，宽度URN为1.24UH～1.25UH。
进一步地，所述输入渐变段的长度d1为0.41R1～0.45R1；所述输出渐变段的长度d2为 0.47R1～0.5R1。
进一步地，所述输入渐变段和所述输出渐变段口径较大的一端内半径相同，取值范围为 1.59R1～1.61R1。
进一步地，所述输入圆波导的长度h1为1.85R1～1.95R1。
常见的反射式金属光栅如图2所示，其变极化原理如图3所示，当线极化波垂直入射到光栅表面且极化方向与光栅槽向呈一定角度θ时，可以将波束分解为两个互相垂直的分量，与光栅槽垂直的电场E⊥和与光栅槽平行的磁场H//组成TM波，与光栅槽平行的电场E//和与光栅槽垂直的磁场H⊥组成TE波。TM波的主模为TM00(TEM)模，而TE波的主模为TE10模。这两种不同的模式且相互正交的波在通过金属光栅反射后会形成一定的相位差，当选取合适的θ和光栅的深度时，就可以使合成的极化波变成所需要的形式。
波导的部分波理论如图4所示，波导中传播的电磁波可以看作是在波导壁的多次曲折反射的结果，α为部分波入射至波导壁的入射角，其相速vp和群速vg可由α计算得出。把波导壁当成电磁波的反射面，通过在反射面上刻蚀光栅槽即可以将电磁波在开槽波导中的传播等效为在金属光栅上的反射，输入圆波导以及输入渐变的长度决定了入射波入射至光栅槽的角度α，入射的TM01模在半径渐变的输入渐变段转化为TM01和TM02的混合模式，TM01和TM02的极化方向均为径向，横向的极化方向并未改变，在模式变换段以45°角入射至光栅槽，利用金属光栅的变极化功能实现电磁波极化方向的转变。模式变换完成后的TE11模式经过半径渐变的输出渐变段，最终从输出圆波导输出。因此，通过本发明结构能够实现圆波导TM01-TE01的转化。
本发明相对于传统的模式变换结构，具有极化转换效率高、传输效率高的优点，较同时结构紧凑、尺寸小，加工较为简单。
附图说明
图1为典型的模式转换器结构示意图。
图2为常见的反射式金属光栅示意图。
图3为反射式金属光栅变极化原理示意图。
图4为部分波理论的示意图。
图5为本实施例的圆波导TM01-TE01模式转换器结构示意图；其中a为腔体结构示意图，b 为横截面的结构示意图。
图6为双U形光栅单元截面的结构示意图。
图7为本实施例模式转换器的仿真结果示意图。
附图标记说明：1.输入圆波导、2.输入渐变段、3.模式变换段、4.输出渐变段、5.输出圆波导、p1.输入端口、p2.输出端口。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图进一步阐述本发明的技术方案。
以中心频率为12GHz的螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器为例，如图5所示，该模式转换器包括共轴且依次连接的输入圆波导、输入渐变段、模式变换段、输出渐变段、输出圆波导；输入渐变段和输出渐变段为半径线性渐变的喇叭形状；模式变换段为内壁设置有等距螺旋光栅槽的圆波导，所述等距螺旋光栅槽由若干螺旋凹槽周期排列组成；圆波导TM01波束从输入圆波导馈入，最后从输出圆波导输出，实现圆波导TM01模式径向极化方向到圆波导TE01模式角向极化方向的转换。
其中，模式变换段、输入圆波导、输出圆波导的内半径相同，均为R1＝20mm；输入圆波导、输入渐变段、模式变换段、输出渐变段、输出圆波导的长度依次为h1＝38mm、d1＝10mm、L＝40.3mm、d2＝9mm、h2＝14.7mm；所述输入渐变段和所述输出渐变段口径较大的一端内半径 R2＝33mm；所述螺旋凹槽的深度UH为7.84mm宽度URN为5.88mm，周期P为10.76mm。
利用反射式金属光栅的原理，若入射波的极化方向与金属光栅槽向的夹角为45°时，就可以将波束分解为等幅的平行于槽向的TE波和垂直于槽向的TM波，TE波与TM波在金属光栅中的相位常数不同，经过金属光栅的反射后会形成一定的相位差，选取合适的金属光栅槽的深度可以使得TE波与TM波形成180°的相位差，从而使合成波的极化方向扭转90°，将极化扭转到我们所需要方向。
取光栅槽向与入射波的夹角为45°后，结合圆柱螺旋线的结构，则螺旋线的升角即光栅槽对圆波导正截面的倾角为45°。
在光栅结构中，双U形的金属光栅有着较高的功率容量和较宽的带宽，如图6所示，因此将螺旋凹槽的底部和其与圆波导内壁的连接处设置为光滑圆弧面。螺旋凹槽的底部圆弧面的半径为2.96mm，螺旋凹槽与圆波导内壁的连接处倒圆之后的半径2.44mm。
如图7是本实施例圆波导TM01-TE01模式转换器的仿真结果示意图，由仿真结果表明，在中心频率12GHz处模式转换器的转换效率最高达到了97.44％，在11.66-12.37GHz范围内转化效率超过了95％。由此可见此该模式转换器有着较高的转换效率，并且大幅的减小了模式转换器的尺寸，结构紧凑。
本发明方案能够实现模式转换器尺寸的大幅减小，同时具有转换效率高，结构紧凑等优点，有助于高功率微波系统的小型化设计，为此类器件的设计提供了新的实施方案。

Claims (7)

1.一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，包括共轴且依次连接的输入圆波导、输入渐变段、模式变换段、输出渐变段、输出圆波导；其特征在于，所述输入渐变段和输出渐变段为半径线性渐变的喇叭形状，且口径大的一端连接模式变换段；所述模式变换段为内壁设置有等距螺旋光栅槽的圆波导，所述等距螺旋光栅槽由若干螺旋凹槽周期排列组成；
所述螺旋凹槽对应的螺旋线的升角为45°；
所述模式变换段、输入圆波导、输出圆波导的内半径相同；
所述螺旋凹槽的深度UH为0.3R1~0.32R1，宽度URN为1.24 UH ~1.25UH，其中R1为模式变换段的内半径。
2.如权利要求1所述的一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，其特征在于，所述模式变换段的内半径R1为0.8-0.83，为波导波长。
3.如权利要求1所述的一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，其特征在于，所述螺旋凹槽的底部为光滑曲面，且螺旋凹槽与圆波导内壁的连接处也为光滑曲面。
4.如权利要求2所述的一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，其特征在于，所述模式变换段的长度L为1.95R1~1.98 R1。
5.如权利要求2所述的一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，其特征在于，所述输入渐变段的长度d1为0.41R1~0.45R1；所述输出渐变段的长度d2为0.47R1~0.5R1。
6.如权利要求2所述的一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，其特征在于，所述输入渐变段和所述输出渐变段口径大的一端内半径相同，取值范围为1.59R1~1.61R1。
7.如权利要求2所述的一种螺旋光栅槽加载的圆波导TM01-TE01模式转换器，其特征在于，所述输入圆波导的长度h1为1.85R1~1.95R1。
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