CN115133242B - 一种从二极管方向注入的单端口模式转换器 - Google Patents

Abstract

一种从二极管方向注入的单端口模式转换器，包括注入波导、模式转换组件和注入腔内筒，模式转换组件一端与二极管区域连接，另一端与注入腔连接，注入腔内筒同轴嵌套于模式转换组件内，模式转换组件靠近注入腔的一端的内壁与注入腔内筒的外壁之间具有间隙以形成传输通道，模式转换组件于传输通道的外周设有密闭的环形腔，注入波导一端与外部种子源连通，另一端与环形腔连通，环形腔与传输通道连通。本发明采用从前端(二极管端)进入的方式，结构相对简单，不带来加工、装配困难的问题，同时无需对外部导引磁场进行分段，避免了磁场均匀性较差的问题，有利于谐振腔中束波相互作用的进行；可以起到高效率的模式转换作用，转换效率达到95％以上。

Description

一种从二极管方向注入的单端口模式转换器

技术领域

本发明属于高功率微波器件技术领域，具体公开了一种从二极管方向注入的单端口模式转换器。

背景技术

高功率微波(High Power Microwave，缩写为HPM)通常是指峰值功率大于100MW，频率介于0.1GHz-100GHz的电磁波。HPM技术是20世纪70年代兴起的一门交叉学科，是传统电真空器件与脉冲功率技术集合的产物。近二十年来，受到高能射频加速器、定向能武器和高功率雷达等应用的牵引，HPM技术在军事和民用领域中展现出了良好的应用前景，得到了迅猛发展。

HPM器件是指用于产生HPM的相对论电真空器件。高频率与高峰值功率是HPM技术领域不断追求的目标，但是由于HPM产生的物理机制、器件工艺结构及材料性能等因素的制约，在向更高频率、更高峰值功率进一步迈进时，HPM器件都存在强电场击穿、输出微波脉冲缩短等物理障碍，制约了单管HPM器件峰值功率的进一步提高。为满足实际应用需求，将多个HPM器件的输出微波进行功率合成成为未来HPM技术发展的重点和主要方向。在功率合成的各种方式中，空间相干功率合成由于可在远场获得N²倍的峰值功率密度(N为微波产生器件数量)，具有更诱人的前景。为实现高效率的空间相干功率合成，参与合成的HPM器件需要具有良好的锁频、锁相特性，使得输出微波频率可以精确控制，同时多个HPM器件之间相位锁定。常见的微波振荡器难以满足上述要求，而放大器的输出微波频率和相位严格依赖于输入信号，可以实现锁频锁相，具备相干合成的条件。

输入信号的注入是HPM空间相干功率合成技术中最为基础和关键的一环。输入信号由种子源输出，其输出工作模式往往为矩形波导的TE₁₀模式，而同轴波导的工作模式为TEM模式(高频段的HPM器件往往采取大半径同轴结构以提高空间极限流和功率容量)，因此需要一定的模式转换器将矩形波导的TE₁₀模式转换为同轴波导的TEM模式。模式转换器应满足以下要求：一是可以高效的将矩形波导的TE₁₀模式转换为同轴波导的TEM模式；二是能够保证同轴波导内的电场角向分布均匀，使得后续电子束在谐振腔中进行束波相互作用时受到均匀调制，不会引入角向的非对称性，降低了非旋转对称模式起振的可能性；三是结构相对简单，避免带来加工、装配困难，方便开展实验。

现有的一种技术方案采用了同轴线轴向馈入的注入结构，可以实现良好的电场角向均匀性，但是馈入同轴线从二极管结构中穿过，使得HPM器件与脉冲功率装置垂直，大大增加了整个装置的体积，不利于HPM器件向紧凑化、小型化发展的实际应用。更重要的是，馈入同轴线从二极管结构中穿过，带来同轴与二极管阴极的绝缘问题，导致二极管结构较为复杂。另有一种技术方案采用双端口侧向注入方式，避免了同轴线轴向馈入注入结构所带来的问题。然而双端口侧向注入方式将注入波导放置到放大器外部，导引磁场线圈在注入腔处断开，注入波导从磁场线圈断开处进入注入腔，这种结构使得磁场分为两段，降低了导引磁场的均匀性。更重要的是，在实验中两段磁场在对同心时，容易产生错位或倾斜问题，这将导致电子束的传输产生偏转，进而影响束波相互作用，可能诱发非旋转对称模式的产生。另有一种技术方案采用单端口侧向注入方式，避免了双端口侧向注入存在的磁场分段的问题，然而其从尾部(输出端)注入的方式，使得在进行实验过程中，若更换实验腔体，则需要将整个器件拆除(各个腔体往往是级联式连接，而输入腔位于链条的最前端)，存在拆装复杂的问题，因此该技术方案未见后续有相关实验的报道。同时该种HPM器件为空心结构，而采用大半径同轴结构的HPM器件，其工作机理将更为复杂。

综上所述，在高频段HPM空间相干功率合成技术中，输入信号的注入需要用一定的模式转换器将矩形波导的TE₁₀模式转换为同轴波导的TEM模式。该模式转换器不仅需要起到高效率的模式转换作用，还需要保证同轴波导内的电场角向分布均匀，同时需要尽可能避免磁场均匀性较差或磁场分段的问题，在此基础上要保证结构简单，方便加工装配和相关实验的进行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构相对简单、紧凑，加工、装配方便，避免了磁场均匀性较差的问题，转换效率高的从二极管方向注入的单端口模式转换器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种从二极管方向注入的单端口模式转换器，包括注入波导、模式转换组件和注入腔内筒，所述模式转换组件一端与二极管区域连接，另一端与注入腔连接，所述注入腔内筒同轴嵌套于所述模式转换组件内，所述模式转换组件靠近注入腔的一端的内壁与所述注入腔内筒的外壁之间具有间隙以形成传输通道，所述模式转换组件于所述传输通道的外周设有密闭的环形腔，所述注入波导一端与外部种子源连通，另一端与所述环形腔连通，所述环形腔与所述传输通道连通。

作为上述技术方案的进一步改进：所述环形腔与所述传输通道之间设有多个膜片，多个所述膜片沿圆周方向均匀分布，相邻的两个所述膜片之间具有间隙以使所述所述环形腔与所述传输通道连通。

作为上述技术方案的进一步改进：所述注入波导包括第一注入直波导、第二注入直波导和第三注入直波导，所述第一注入直波导和所述第三注入直波导均沿所述模式转换组件的轴向布置且传输方向相反，所述第二注入直波导垂直布置于所述第一注入直波导与所述第三注入直波导之间，所述第一注入直波导一端与外部种子源连通，另一端通过第一注入弯曲波导与所述第二注入直波导一端连通，所述第二注入直波导另一端通过第二注入弯曲波导与所述第三注入直波导一端连通，所述第三注入直波导另一端设有导向部并与所述环形腔连通。

作为上述技术方案的进一步改进：所述第一注入直波导上设有第一连接部并与外部种子源可拆卸连接，所述第二注入直波导上设有第二连接部并与二极管面板可拆卸连接，所述第三注入直波导上设有第三连接部并与所述模式转换组件可持续连接。

作为上述技术方案的进一步改进：所述第三注入直波导内还设有一对脊波导。

作为上述技术方案的进一步改进：所述第一连接部与外部种子源之间设有密封件，所述第三连接部与所述模式转换组件之间设有密封件。

作为上述技术方案的进一步改进：所述模式转换组件内设有第一限位部和内螺纹连接部，所述第一限位部和所述内螺纹连接部之间形成台阶结构，所述注入腔内筒靠近二极管的一端的端部设有第二限位部且外周设有外螺纹连接部，所述第二限位部与所述第一限位部抵接，所述外螺纹连接部与所述内螺纹连接部旋合。

作为上述技术方案的进一步改进：所述模式转换组件包括第一模式转换器和第二模式转换器，所述第一限位部和所述内螺纹连接部设于所述第一模式转换器内，所述传输通道位于所述第二模式转换器内壁与所述注入腔内筒外壁之间，所述第一模式转换器外周设有第一径向凸部，所述第二模式转换器外周设有第二径向凸部，所述第一径向凸部上设有轴向凸部，所述轴向凸部与所述第二径向凸部抵接，所述环形腔位于所述第一径向凸部、所述轴向凸部和所述第二径向凸部之间。

作为上述技术方案的进一步改进：所述注入波导采用铝或铜材料。

作为上述技术方案的进一步改进：所述模式转换组件和所述注入腔内筒采用不锈钢、铜或钛合金材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的从二极管方向注入的单端口模式转换器，可将外部种子源输出的矩形TE₁₀模式转换为同轴TEM模式，完成高频段HPM空间相干功率合成技术中输入信号的注入，采用从前端或者说二极管端进入的方式，结构相对简单、紧凑，不带来加工、装配困难的问题，同时无需对外部导引磁场进行分段，避免了磁场均匀性较差的问题，有利于谐振腔中束波相互作用的进行；可以起到高效率的模式转换作用，转换效率达到95％以上。

附图说明

图1是本发明从二极管方向注入的单端口模式转换器第一视角的立体结构示意图。

图2是本发明从二极管方向注入的单端口模式转换器第二视角的立体结构示意图。

图3是本发明从二极管方向注入的单端口模式转换器的右视结构示意图。

图4是图3的A-A视图。

图5是图4的局部放大图。

图6是本发明中的第一模式转换器的立体结构示意图。

图7是本发明中的第二模式转换器的立体结构示意图。

图8是本发明从二极管方向注入的单端口模式转换器的微波传输S曲线。

图中各标号表示：1、注入波导；10、对脊波导；11、第一注入直波导；12、第二注入直波导；13、第三注入直波导；14、第一注入弯曲波导；15、第二注入弯曲波导；16、导向部；17、第一连接部；18、第二连接部；19、第三连接部；2、模式转换组件；21、环形腔；22、膜片；23、第一限位部；24、内螺纹连接部；25、第一模式转换器；26、第二模式转换器；27、第一径向凸部；28、第二径向凸部；29、轴向凸部；3、注入腔内筒；31、第二限位部；32、外螺纹连接部；5、传输通道。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1至图8示出了本发明从二极管方向注入的单端口模式转换器的一种实施例，本实施例的从二极管方向注入的单端口模式转换器，包括注入波导1、模式转换组件2和注入腔内筒3，模式转换组件2一端(图4中为左端)与二极管区域(图中未示出)连接，另一端(图4中为右端)与注入腔(图中未示出)连接，注入腔内筒3同轴嵌套于模式转换组件2内，模式转换组件2靠近注入腔的一端(或者说模式转换组件2与注入腔连接的一端，也即图4中的右端)的内壁与注入腔内筒3的外壁之间具有间隙以形成传输通道5，模式转换组件2于传输通道5的外周设有密闭的环形腔21，注入波导1一端与外部种子源(图中未示出)连通，另一端与环形腔21连通，环形腔21与传输通道5连通。本实施例中，注入波导1位于模式转换组件2的上侧，注入波导1的上端与外部种子源连通，下端与与环形腔21连通。

该从二极管方向注入的单端口模式转换器，可将外部种子源输出的矩形TE₁₀模式转换为同轴TEM模式，完成高频段HPM空间相干功率合成技术中输入信号的注入，采用从前端或者说从二极管端进入的方式，结构相对简单、紧凑，不带来加工、装配困难的问题，同时无需对外部导引磁场进行分段，避免了磁场均匀性较差的问题，有利于谐振腔中束波相互作用的进行；可以起到高效率的模式转换作用，转换效率达到95％以上。在具体应用时，将外部种子源与注入波导1的上端相连接，模式转换组件2和注入腔内筒3后接入注入腔结构。外部种子源输出的矩形TE₁₀模式微波通过注入波导1完成一定的空间方向变化，然后传输至密闭的环形腔21，经过密闭的环形腔21后到达传输通道5，这部分微波在模式转换组件2和注入腔内筒3内由矩形TE₁₀模式转换为同轴TEM模式，最终同轴TEM模式的微波通过传输通道5向后传输至注入腔内，该从二极管方向注入的单端口模式转换器结构更紧凑，具体工作时外部导引磁场无需分段，更有利于实验的进行，可以满足高功率微波领域中输入信号模式转换的应用需求。

进一步地，本实施例中，环形腔21与传输通道5之间设有多个膜片22，多个膜片22沿圆周方向均匀分布，相邻的两个膜片22之间具有间隙以使环形腔21与传输通道5连通。膜片22用于改善同轴波导内的电场角向均匀性，有利于注入腔对注入微波高效率的吸收和后续电子束在注入腔中进行束波相互作用时受到均匀调制，降低了非旋转对称模式起振的可能性。优选的，可采用冷焊等焊接方式将膜片22焊接于模式转换组件2内。

进一步地，本实施例中，注入波导1包括第一注入直波导11、第二注入直波导12和第三注入直波导13，第一注入直波导11和第三注入直波导13均沿模式转换组件2的轴向布置且传输方向相反，第二注入直波导12垂直布置于第一注入直波导11与第三注入直波导13之间，第一注入直波导11一端与外部种子源连通，另一端通过第一注入弯曲波导14与第二注入直波导12一端连通，第二注入直波导12另一端通过第二注入弯曲波导15与第三注入直波导13一端连通，第三注入直波导13另一端设有导向部16并与环形腔21连通。该种结构的注入波导1可将外部种子源输出的矩形TE₁₀模式微波完成特定的空间方向变化，并近乎无损的传输至模式转换组件2。

更进一步地，本实施例中，第一注入直波导11上设有第一连接部17并与外部种子源可拆卸连接，第二注入直波导12上设有第二连接部18并与二极管面板可拆卸连接，第三注入直波导13上设有第三连接部19并与模式转换组件2可持续连接。通过第一连接部17、第二连接部18和第三连接部19能够有效的将注入波导1与外部种子源、二极管和模式转换组件2安装固定，并且方便拆装。优选的，第一连接部17采用矩形法兰，矩形法兰的中心与第一注入直波导11中心重合，矩形法兰上开设凹槽并于凹槽内放置密封件(例如矩形密封圈或密封胶条等)，矩形法兰与外部种子源通过螺钉等螺纹紧固件连接固定，连接可靠，拆装方便，保证矩形法兰与外部种子源之间的密封性，防止微波泄漏；第二连接部18采用杆件并对称分布在第二注入直波导12的两侧，第二连接部18与二极管面板通过螺钉等螺纹紧固件连接固定；第三连接部19采用板件，上表面近似于梯形结构，下表面为平面结构，模式转换组件2上侧去除部分形成平面结构(具体为第一径向凸部27、第二径向凸部28和轴向凸部29上侧去除部分)并开设凹槽，在凹槽内放置密封件(例如矩形密封圈或密封胶条等)，通过螺钉等螺纹紧固件将第三注入直波导13与模式转换组件2连接固定，保证第三连接部19与模式转换组件2之间的密封性，防止微波泄漏，结构简单、可靠，拆装方便。

更进一步地，本实施例中，第三注入直波导13内还设有一对脊波导10。一对脊波导10，可以抑制微波的反射，减少传输过程中的损耗。

进一步地，本实施例中，模式转换组件2内设有第一限位部23和内螺纹连接部24，第一限位部23和内螺纹连接部24之间形成台阶结构，注入腔内筒3靠近二极管的一端(图4中的左端)的端部设有第二限位部31且外周设有外螺纹连接部32，第二限位部31与第一限位部23抵接，外螺纹连接部32与内螺纹连接部24旋合。模式转换组件2与注入腔内筒3之间的连接结构，简单、可靠性好，有利于保证模式转换组件2与注入腔内筒3的同轴度，并且拆装方便。

更进一步地，本实施例中，模式转换组件2包括第一模式转换器25和第二模式转换器26，第一限位部23和内螺纹连接部24设于第一模式转换器25内，优选的第一模式转换器25的最小内径与注入腔内筒3的内径相等，传输通道5位于第二模式转换器26内壁与注入腔内筒3外壁之间，第一模式转换器25外周设有第一径向凸部27，第二模式转换器26外周设有第二径向凸部28，第一径向凸部27上设有轴向凸部29，轴向凸部29与第二径向凸部28抵接，环形腔21位于第一径向凸部27、轴向凸部29和第二径向凸部28之间，或者说第一径向凸部27、轴向凸部29和第二径向凸部28围合形成环形腔21。模式转换组件2采用分体式结构，可以进一步降低加工、装配难度，有利于相关实验的展开。

具体安装时，先将第一模式转换器25与注入腔内筒3通过螺纹结构旋合固定直至第二限位部31与第一限位部23抵紧，然后利用第一径向凸部27、第二径向凸部28和轴向凸部29的密封凹槽确定第一模式转换器25与第二模式转换器26的相对位置，并在密封凹槽内装填密封圈，防止微波泄漏，再将膜片22通过冷焊等焊接方式与第一模式转换器25、第二模式转换器26连接成整体，最后利用螺钉等紧固件将注入波导1与第一模式转换器25、第二模式转换器26连接紧固。

作为优选的实施例，注入波导1采用铝或铜材料。铝或铜便于机械加工，同时微波损坏低。

作为优选的实施例，模式转换组件2和注入腔内筒3采用不锈钢、铜或钛合金材料，便于机械加工。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：包括注入波导(1)、模式转换组件(2)和注入腔内筒(3)，所述模式转换组件(2)一端与二极管区域连接，另一端与注入腔连接，所述注入腔内筒(3)同轴嵌套于所述模式转换组件(2)内，所述模式转换组件(2)的内壁与所述注入腔内筒(3)的外壁之间具有间隙以形成传输通道(5)，所述传输通道(5)位于所述模式转换组件(2)与注入腔连接的一端，所述模式转换组件(2)于所述传输通道(5)的外周设有密闭的环形腔(21)，所述注入波导(1)一端与外部种子源连通，另一端与所述环形腔(21)连通，所述环形腔(21)与所述传输通道(5)连通。

2.根据权利要求1所述的从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述环形腔(21)与所述传输通道(5)之间设有多个膜片(22)，多个所述膜片(22)沿圆周方向均匀分布，相邻的两个所述膜片(22)之间具有间隙以使所述所述环形腔(21)与所述传输通道(5)连通。

3.根据权利要求1所述的从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述注入波导(1)包括第一注入直波导(11)、第二注入直波导(12)和第三注入直波导(13)，所述第一注入直波导(11)和所述第三注入直波导(13)均沿所述模式转换组件(2)的轴向布置且传输方向相反，所述第二注入直波导(12)垂直布置于所述第一注入直波导(11)与所述第三注入直波导(13)之间，所述第一注入直波导(11)一端与外部种子源连通，另一端通过第一注入弯曲波导(14)与所述第二注入直波导(12)一端连通，所述第二注入直波导(12)另一端通过第二注入弯曲波导(15)与所述第三注入直波导(13)一端连通，所述第三注入直波导(13)另一端设有导向部(16)并与所述环形腔(21)连通。

4.根据权利要求3所述的从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述第一注入直波导(11)上设有第一连接部(17)并与外部种子源可拆卸连接，所述第二注入直波导(12)上设有第二连接部(18)并与二极管面板可拆卸连接，所述第三注入直波导(13)上设有第三连接部(19)并与所述模式转换组件(2)可持续连接。

5.根据权利要求3所述从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述第三注入直波导(13)内还设有一对脊波导(10)。

6.根据权利要求4所述从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述第一连接部(17)与外部种子源之间设有密封件，所述第三连接部(19)与所述模式转换组件(2)之间设有密封件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述模式转换组件(2)内设有第一限位部(23)和内螺纹连接部(24)，所述第一限位部(23)和所述内螺纹连接部(24)之间形成台阶结构，所述注入腔内筒(3)靠近二极管的一端的端部设有第二限位部(31)且外周设有外螺纹连接部(32)，所述第二限位部(31)与所述第一限位部(23)抵接，所述外螺纹连接部(32)与所述内螺纹连接部(24)旋合。

8.根据权利要求7所述的从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述模式转换组件(2)包括第一模式转换器(25)和第二模式转换器(26)，所述第一限位部(23)和所述内螺纹连接部(24)设于所述第一模式转换器(25)内，所述传输通道(5)位于所述第二模式转换器(26)内壁与所述注入腔内筒(3)外壁之间，所述第一模式转换器(25)外周设有第一径向凸部(27)，所述第二模式转换器(26)外周设有第二径向凸部(28)，所述第一径向凸部(27)上设有轴向凸部(29)，所述轴向凸部(29)与所述第二径向凸部(28)抵接，所述环形腔(21)位于所述第一径向凸部(27)、所述轴向凸部(29)和所述第二径向凸部(28)之间。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述注入波导(1)采用铝或铜材料。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的从二极管方向注入的单端口模式转换器，其特征在于：所述模式转换组件(2)和所述注入腔内筒(3)采用不锈钢、铜或钛合金材料。