CN115312997B - 一种紧凑型高功率微波tm01-te01模式转换器 - Google Patents
一种紧凑型高功率微波tm01-te01模式转换器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型高功率微波TM01‑TE01模式转换器，目的是解决现有TM01‑TE01模式转换器尺寸较大和功率容量不足的问题。本发明由一个盘形多路能量功分结构、N个极化扭转波导和一个盘形多路能量合成结构组成。盘形多路能量功分结构由输入圆波导、输入锥形圆波导、N个第一E面矩形波导和输入锥形匹配结构组成；极化扭转波导由第二E面矩形波导和第一H面90度矩形弯波导组成；盘形多路能量合成结构由N个第二H面矩形波导、输出锥形圆波导、输出圆波导、输出锥形匹配结构组成。本发明结构简单，极化扭转波导的设计缩减了模式转换器轴向尺寸，模式转换效率高，带宽较宽，能适应多种场合高功率微波实验和应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的模式转换器，尤其是一种基于极化扭转波导设计的紧凑型高功率微波模式转换器。
背景技术
高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～100GHz之间的电磁波，经过几十年的发展与积累，在军事和民用领域得到了较为广泛的应用。随着高功率微波技术的发展，研究人员除了期望获得更高的峰值功率和更高的效率，还对高功率微波系统的轻量化、紧凑化与小型化提出了更多的需求。微波源是产生高功率微波的重要器件，它们大多输出TM01模式或TEM模式等，为了便于微波的传输与发射，往往需要根据不同模式在波导中不同的传输特征，使用模式转换器实现微波传输过程中的模式转换，因而研制高功率容量和高传输效率的模式转换器是高功率微波系统中的重要研究内容。众所周知，圆波导中的TE01模式具有最低的传输损耗，非常适合微波的长距离传输，因此设计一种高效和紧凑的TM01-TE01模式转换器对于提高微波发射系统的总体效率具有重要的现实意义。
近年来，研究人员对TM01至TE01模式转换器的研究主要有以下两种类型，其一是通过N个矩形E面90度弯波导、N个矩形90度扭波导和N个矩形H面90度弯波导构成的传输通道分别连接输入TM01圆波导与输出TE01圆波导，组成整体结构角向对称的紧凑圆波导TM01-TE01模式转换器【黄惠军,王效顺,吴江牛,等.一种紧凑的圆波导TM01-TE01模式转换器:,CN105489976A[P].2016.】。这种模式转换器在角向上具有紧凑的尺寸，但是90度扭波导的设计使得它在轴向上的尺寸较大(大于6倍波长)，功率容量可达GW量级，但在要求轴向尺寸较小的场景中不能使用。另一种是由输入TM01圆波导、两个非对称的矩形E面90度弯波导和输出TE01圆波导组成的紧凑型TM01-TE01模式转换器【Yong-jun Hu,Liang Xu,QiangZhang,et al.A compact high-power microwave TM01-TE01 mode converter[J].Reviewof Scientific Instruments,2021,92(9):094703.】。这种模式转换器在轴向和角向的尺寸都较为紧凑，功率容量达到GW量级，但是由于只有两个矩形E面波导作为传输通道，它的功率容量很难得到进一步提升。
因此，尽管研究人员已经对TM01至TE01模式转换器进行了探索，但每种方案都存在一定的局限性，因此仍需要对更为紧凑和具有更高功率容量的高功率微波TM01-TE01模式转换器进行研究探索。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有TM01-TE01模式转换系统中需要使用扭波导使得轴向上的尺寸较大和功率容量不足的问题，提供一种具有高功率容量的紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，该模式转换器的功率容量大于1GW，轴向尺寸小于4倍波长，且置换效率高。
本发明的技术方案是：
本发明一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器采用金属材料(如铝合金、不锈钢等)制成，由一个盘形多路能量功分结构、一组(N个，6≤N≤20)极化扭转波导和一个盘形多路能量合成结构组成。盘形多路能量功分结构由输入圆波导、输入锥形圆波导和输出圆盘(包含N个第一E面矩形波导)和输入锥形匹配结构组成；一组(N个)极化扭转波导中的任意一个极化扭转波导由第二E面矩形波导和第一H面90度矩形弯波导组成；盘形多路能量合成结构由输入圆盘(包含N个第二H面矩形波导)、输出锥形圆波导、输出圆波导和输出锥形匹配结构组成。
本发明中所有结构的金属壁厚度均为t，装配过程中，盘形多路能量功分结构上的第n个(1≤n≤N)第一E面矩形波导与第n个极化扭转波导左端的第二E面矩形波导焊接；极化扭转波导右端的第一H面90度矩形弯波导与盘形多路能量合成结构中的第n个第二H面矩形波导焊接，从而组成了紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器整体。
高功率微波源产生的TM01模式的高功率微波从输入圆波导馈入，经过盘形多路能量功分结构后被均分为N路第一E面矩形波导中的E面TE10波，E面TE10波通过极化扭转波导转换为第一H面90度矩形弯波导中的H面TE10波，从而实现了极化方向的扭转。随后第二H面矩形波导输出的H面TE10波经过盘形多路能量合成结构后，被转换为输出圆波导中的TE01模式的高功率微波，从而实现了本发明TM01至TE01高功率微波的模式转换。
盘形多路能量功分结构由输入圆波导、输入锥形圆波导、输出圆盘和输入锥形匹配结构组成。输入圆波导的右端与输入锥形圆波导同轴相连，输入锥形圆波导的右端与输出圆盘的左表面同轴相连。输出圆盘是由N个第一E面矩形波导围成的花瓣状圆盘形整体，其中第n个(1≤n≤N)第一E面矩形波导是两个端面不封闭的壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，掏空部分的宽边长度为a1，窄边长度为b1，长方体盒子长度为ln1。输出锥形圆波导右端面与输出圆盘的左端面在加工过程中一体成型以保证结构强度。输入圆波导为无底面圆筒，内半径为ra1，长度为lc1，侧壁厚度为t，输入圆波导的右端与输入锥形圆波导同轴相连，输入圆波导的左端与高功率微波源连接，用于馈入TM01模式的高功率微波；输入锥形圆波导为空心无底面圆锥筒，左端与输入圆波导同轴相连，右端与输出圆盘同轴相连，输入锥形圆波导的轴向长度为la3，左端与输入圆波导连接部分的半径等于ra1，右端与输出圆盘连接部分的半径为ra5；输入锥形匹配结构同轴嵌套在输入圆波导、输入锥形圆波导、第一E面矩形波导圆环相连而成的渐张角喇叭状输入空间中，输入锥形匹配结构由第一输入锥形匹配结构和第二输入锥形匹配结构组成，第一输入锥形匹配结构为左端有底的圆锥形，轴向长度为la1，左端面半径为ra2，右端内半径为ra3，右端与第二输入锥形匹配结构同轴相连；第二输入锥形匹配结构为空心无底面圆锥筒，轴向长度为la2，左端内半径等于ra3，右端内半径为ra4，第二输入锥形匹配结构右端面与输出圆盘的右端面平齐。第一输入锥形匹配结构与第二输入锥形匹配结构可一体成型，也可通过焊接的方式连接。输入锥形圆波导和输入锥形匹配结构共同在输入圆波导和输出圆盘中间起到阻抗匹配的作用，输入锥形圆波导和输入锥形匹配结构共同实现输入圆波导中TM01模式的高功率微波到同轴TEM外行波的高效转换，再经过输出圆盘将同轴TEM外行波转换为N路E面TE10波。
N个极化扭转波导中的第n个极化扭转波导由第二E面矩形波导和第一H面90度矩形弯波导组成，实现从E面TE10波到H面TE10波的转换。第二E面矩形波导是有一个开口的矩形盒子，宽边长度等于a1，窄边长度等于b1，长度为l1，壁厚为t，用于继续传输从第一E面矩形波导传来的E面TE10波，它的开口即是第二E面矩形波导输入口，第二E面矩形波导输入口与第一E面矩形波导输出口尺寸匹配，焊接相连，右侧壁上挖有第二E面矩形波导输出口，第二E面矩形波导输出口与第一H面90度矩形弯波导的输入口尺寸匹配，焊接相连，将H面TE10波传输给第一H面90度矩形弯波导的输入口。第一H面90度矩形弯波导是一个两端开口并且切去右上角的“7”字形的矩形盒子，用于接收从第二E面矩形波导输出口传来的E面TE10波，将E面TE10波转换成H面TE10波，并将H面TE10波传输给输入圆盘中的第n路第二H面矩形波导。第一H面90度矩形弯波导的左端面是第一H面90度矩形弯波导输入口，底面(即与第二E面矩形波导输入口平齐的面)是第一H面90度矩形弯波导输出口。第一H面90度矩形弯波导输入口与第二E面矩形波导输出口尺寸匹配，焊接组成第n个极化扭转波导，第二E面矩形波导输入口与第n个第一E面矩形波导远离中心轴OO’的一端的第一E面矩形波导输出口焊接，第一H面90度矩形弯波导输出口与盘形多路能量合成结构上的第n个第二H面矩形波导远离中心轴OO’的一端的第二H面矩形波导输入口焊接。第二E面矩形波导与第一H面90度矩形弯波导的高度差为h，第二E面矩形波导2n1的长度为l1，第二E面矩形波导输入口的开口尺寸与第n个第一E面矩形波导保持匹配，宽边长度等于a1，窄边长度等于b1。第二E面矩形波导输出口开口的宽边长度为a3，窄边长度为b2，开口位置与第二E面矩形波导输入口的距离为l3。在第二E面矩形波导输出口与第一H面90度矩形弯波导输入口的交界面的下端(靠近第二E面矩形波导输入口一侧)沿45度角切去一部分后斜面长度为c1，并且在交界面上端距离金属壁为l2的位置沿45度角切去一部分后斜面长度为c2。进一步地，第一H面90度矩形弯波导是由两个正交的长方体内部掏空出矩形通道并切去右上角一部分形成的“7”字形的90度拐弯波导。在第一H面90度矩形弯波导的90度拐角外侧(右上角)，距离第一H面90度矩形弯波导输入口的长度为w2处沿45度角切去一部分，留下长度为c3，高度为b2的斜面，斜面的右端与第一H面90度矩形弯波导输出口的距离为l4。90度拐角α内侧(左下角)是直角面，直角面左侧长度为w1，下侧长度为l3。
盘形多路能量合成结构由输入圆盘33、输出锥形圆波导32、输出圆波导31和输出锥形匹配结构组成。输入圆盘是由N个第二H面矩形波导围成的花瓣状圆盘形整体，第n个第二H面矩形波导为壁厚为t的有两个端面不封闭的中间掏空的长方体盒子，第二H面矩形波导输入口与第一H面矩形波导输出口相连。第n个第二H面矩形波导的宽边长度为a2，窄边长度为b2。输入圆盘接收将N路从第一H面90度矩形弯波导传来的极化扭转后的H面TE10波转换为同轴TEM内行波模式的高功率微波，输出锥形圆波导和输出锥形匹配结构构成的同轴渐张开喇叭状输出空间将输入圆盘输出的同轴TEM内行波转换为从右端输出的TE01模式的高功率微波，并通过输出圆波导进一步传输。输出圆波导为无底面圆筒，内半径为rb1，长度为lc2，输出圆波导的左端与输出锥形圆波导的右端同轴相连，输出圆波导的右端为本发明的输出端，输出TE01模式的高功率微波；输出锥形圆波导为空心无底面圆锥筒，由第一输出锥形圆波导和第二输出锥形圆波导组成。第一输出锥形圆波导的右端与输出圆波导的左端同轴相连，左端与第二输出锥形圆波导相连，第一输出锥形圆波导轴向长度为lb3，第一输出锥形圆波导右端内半径等于rb1，左端的内半径为rb5；第二输出锥形圆波导右端与第一输出锥形圆波导同轴相连，左端与输出圆盘相连，轴向长度为lb4，第二输出锥形圆波导左端内半径为rb6。输出锥形匹配结构由第一输出锥形匹配结构和第二输出锥形匹配结构组成，它们可一体成型，也可通过焊接的方式连接。第一输出锥形匹配结构为右端有底的圆锥形，左端与第二输出锥形匹配结构的右端相连，轴向长度为lb1，右端内半径为rb2，左端内半径为rb3；第二输出锥形匹配结构为渐张角喇叭状，右端与第一输出锥形匹配结构相连，左端与输出圆盘的端面相连，轴向长度为lb2，左端的内半径为rb4，右端内半径为rb3。第一输出锥形匹配结构与第二输出锥形匹配结构可一体成型，也可通过焊接的方式连接。第n个第二H面矩形波导将从第一H面90度矩形弯波导传来的极化扭转后的H面TE10波转换为同轴TEM内行波模式的高功率微波，由输出锥形圆波导和输出锥形匹配结构构成的同轴渐张开那喇叭状输出空间将同轴TEM内行波转化为右端输出的TE01模式的高功率微波，从而实现TM01至TE01高功率微波的模式转换。
为了叙述方便，这里将统一介绍以上涉及的结构参数所满足的条件：
条件1、从使用方便和节约成本的角度考虑，第n个第一E面矩形波导13n和第n个第二H面矩形波导33n的开口尺寸宽边长度a1、窄边长度b1、宽边长度a2、窄边长度b2可选择标准矩形波导的尺寸，如x波段微波可选择BJ100(a1×b1＝22.86mm×10.16mm)，a2、b2略大于a1、b1，可选择BJ84(a2×b2＝28.5mm×12.62mm)。a1、b1、a2、b2确定后，由于第n个第二H面矩形波导33n的尺寸大于第n个第一E面矩形波导13n的尺寸，模式转换器的总功率容量主要取决于第一E面矩形波导的功率容量。通过电磁仿真软件CST对第一E面矩形波导进行建模仿真，可以得到其内部传输TE10模式时的功率容量P0，因此，N个第一E面矩形波导的功率容量P≈N×P0，增加N就能增加模式转换器的总功率容量。
条件2、为了保证器件工作在截止频率以上，对于输入圆波导11，有ra1>λ/3.41，其中λ为输入高功率微波的中心频率所对应的真空中的波长。根据盘形多路能量功分结构1的几何形状，输入锥形圆波导12右端圆环外围的周长(2π×ra5)应大于N个第一E面矩形波导的宽度之和(N×a1)，即ra5>N×a1/2π，这样才能保证N个第一E面矩形波导能够绕中轴线围成一个圆盘状整体的输出圆盘13。此外，为保证微波在盘形多路能量功分结构1内的传输，应有ra5>ra4>ra1>ra3>ra2。且有lc1>λ/2；la3>λ/4；la1+la2>la3+b1。在确定a1和b1的前提下，对于满足ra1>λ/3.41条件下的任意给定的ra1的值，均能通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从输入圆波导11传输至N个第一E面矩形波导的传输效率大于99％，可以获得ra2、ra3、ra4、ra5、la1、la2、la3和lc1的精确值。
条件3、对于任意一个极化扭转波导，在确定a1、b1、a2、b2的前提下，有a1＝b2+h，l1＝l2+a3+l3，c3>c1＝c2>0，且有w2>w1>b1和l4>l3。通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从第n个第二E面矩形波导2n1传输至第n个第一H面90度矩形弯波导2n2的传输效率大于99％，可以获得参数l1、l2、l3、l4、c1、c2、c3、w1、w2和a3的精确值。
条件4、根据盘形多路能量合成结构3的几何形状，输出锥形圆波导32左端圆环外围周长(2π×rb6)应大于N个第二H面矩形波导的高度之和(N×b2)，即rb6>N×b2/2π，这样才能保证N个第二H面矩形波导能够绕中轴线围成一个圆盘状整体的输入圆盘33。此外，为保证微波在盘形多路能量功分结构3内的传输，应有rb6>rb5>rb1；rb6>rb4>rb3>rb2和rb1>λ/3.41。且有lc2>λ/2；lb3+lb4>λ/4；lb1+lb2<lb3+lb4+a2。在确定ra1、a2和b2的前提下，对于满足rb1>λ/3.41条件下的任意给定的rb1的值，均能通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从N个第二H面矩形波导传输至输出圆波导31的传输效率大于99％，可以获得rb2、rb3、rb4、rb5、rb6、lb1、lb2、lb3、lb4和lc2的精确值。
这样，满足以上结构参数的TM01-TE01的模式转换器具有紧凑(轴向尺寸小于4λ)、传输效率高、结构简单、功率容量高等优点。
本发明的工作过程是：
从高功率微波源输出的TM01模式的高功率微波从输入圆波导11的左端面馈入本发明，在输入圆波导11右端是输入锥形圆波导12和输入锥形匹配结构14构成的同轴渐张开喇叭状输入空间，同轴渐张开喇叭状输入空间将左端馈入的TM01模式高功率微波转换为径向上远离中心轴OO’传输的同轴TEM外行波；随后输出圆盘13将径向上的同轴TEM外行波均分为N路第一E面矩形波导中的E面TE10波，并将N路E面TE10波传输给N个极化扭转波导2；N个极化扭转波导2将N路E面TE10波转换为N路H面TE10波馈入输入圆盘33，由输入圆盘33将N个极化扭转波导2输出的N路H面TE10波转换为朝向中心轴OO’传输的同轴TEM内行波；与输入圆盘33的输出端口连接的是由输出锥形圆波导32和输出锥形匹配结构34构成的同轴渐张开喇叭状输出空间，同轴渐张开喇叭状输出空间将输入圆盘33输出的同轴TEM内行波转换为从右端输出的TE01模式的高功率微波，并通过输出圆波导31进一步传输。
与现有技术相比，本发明结构简单，由第二E面矩形波导和第一H面90度矩形弯波导组成了极化扭转波导，该极化扭转波导取代了传统扭波导，进一步缩减了模式转换器的轴向尺寸，在真空中的功率容量超过1GW；通过本发明实现高功率微波从TM01-TE01模式转换，在中心频点的大于99.9％，带宽较宽(绝对带宽大于200MHz)，且带内的转换效率大于98％，能适应多种转换效率场合高功率微波实验和应用需求。
附图说明
图1为本发明一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转器的三维视图；
图2为本发明一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转器的爆炸结构示意图；
图3为本发明中微波传输路径示意图；
图4为图2中盘形多路能量功分结构的示意图；图4(a)为该结构的侧视图，图4(b)为该结构沿GG'断面的剖视图；
图5为图2中第n个极化扭转波导的结构示意图；其中图5(a)为该结构的三维示意图，图5(b)为该结构的俯视图，图5(c)为该结构的正视图，图5(d)为该结构沿GG'断面的剖视图；
图6为图2中盘形多路能量合成结构的示意图；其中图6(a)为该结构的侧视图，图6(b)为该结构沿GG'断面的剖视图；
图7为本发明的一个实施例中输入TM01模式和输出TE01模式的S参数曲线图；
图8为本发明的一个实施例中在中心频率时的内部电场分布图。
具体实施方式
图1为本发明一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器的三维视图，如图1所示，OO’为本发明的中心轴线。本发明采用金属材料(如铝合金)制成，由一个盘形多路能量功分结构1、一组(共N个，6≤N≤20)极化扭转波导2和一个盘形多路能量合成结构3组成。定义TM01模式的高功率微波的输入端为本发明输入端，也即本发明左端，TE01模式的高功率微波的输出端为本发明输出端，即本发明右端。
图2为图1的爆炸结构示意图，本发明的盘形多路能量功分结构1由输入圆波导11、输入锥形圆波导12、输出圆盘13和输入锥形匹配结构14(见图4(a))组成。输入圆波导11的右端与输入锥形圆波导12同轴相连，输入锥形圆波导12的右端与输出圆盘13的左表面同轴相连。输出圆盘13是由N个第一E面矩形波导围成的花瓣状圆盘形整体，其中第n个(1≤n≤N)第一E面矩形波导的标号为13n，第一E面矩形波导13n是两个端面不封闭的壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，不封闭的两个端面指第n个第一E面矩形波导13n与OO’平行且沿输出圆盘13周向的两个端面，其中远离中心轴OO’一端不封闭的端面成为第一E面矩形波导输出口13n1，使得输入圆波导11、输入锥形圆波导12、输入锥形匹配结构14与第一E面矩形波导的13n的靠近中心轴OO’一端不封闭的端面相通，成为微波的通路。如图3所示，输入圆波导11的左端为本发明输入端，将TM01模式的高功率微波馈入输入锥形圆波导12和输入锥形匹配结构14构成的同轴渐张开喇叭状输入空间；同轴渐张开喇叭状输入空间将左端馈入的TM01模式高功率微波转换为径向上远离中心轴OO’传输的同轴TEM外行波。随后输出圆盘13将径向上的同轴TEM外行波均分为N路第一E面矩形波导中的E面TE10波，并将N路E面TE10波传输给N个极化扭转波导2。
如图2所示，结合图3和图4，N个极化扭转波导2中的第n个极化扭转波导2n由第二E面矩形波导2n1和第一H面90度矩形弯波导2n2组成。第二E面矩形波导2n1有一个输入端和一个输出端，输入端与第一E面矩形波导的13n的第一E面矩形波导输出口13n1相连，输出端与第一H面90度矩形弯波导2n2的输入端相连。以第n路E面TE10波的传输路径为例，第n个极化扭转波导2n的第二E面矩形波导2n1是有一个底的壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，开口的一端成为第二E面矩形波导2n1的第二E面矩形波导输入口2n11，第二E面矩形波导输入口2n11(见图5(b))与第一E面矩形波导输出口13n1(见图4(b))尺寸匹配，通过焊接对齐，用于继续传输从第一E面矩形波导输出口13n1接收的E面TE10波；如图5(b)所示，第二E面矩形波导2n1右侧壁开有第二E面矩形波导输出口2n12，第二E面矩形波导输出口2n12是一个矩形通口，与第一H面90度矩形弯波导2n2左侧的第一H面90度矩形弯波导输入口2n21尺寸相同，通过焊接对齐(见图5(b))。第一H面矩形波导2n2底部的第一H面矩形波导输出口2n22(见图5(b))与第二H面矩形波导33n远离中心轴OO’一端的第二H面矩形波导输入口33n1(见图6(b))尺寸匹配，通过焊接对齐。如图3所示，第n个极化扭转波导2n实现将从第一E面矩形波导13n输入的E面TE10波转换为在第一H面90度矩形弯波导2n2中传输的H面TE10波，从而实现了极化方向的扭转。N个极化扭转波导2将极化扭转后的H面TE10波传输给盘形多路能量合成结构3。
如图2所示，结合图6，盘形多路能量合成结构3由一个输入圆盘33、一个输出锥形圆波导32和一个输出圆波导31组成。输入圆盘33是由N个第二H面矩形波导围成的花瓣状圆盘形整体，其中第n个(1≤n≤N)第二H面矩形波导的标号为33n，它是有两个端面不封闭的壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，不封闭的两个端面指第n个第二H面矩形波导33n与OO’平行且沿输入圆盘33周向的两个端面，其中远离中心轴OO’一端不封闭的端面成为第二H面矩形波导输入口33n1(见图6(b)。如图3所示，N个第二H面矩形波导将从N个第一H面90度矩形弯波导传来的极化扭转后的H面TE10波转换为同轴TEM内行波模式的高功率微波，由输出锥形圆波导32和输出锥形匹配结构34构成的同轴渐张开那喇叭状输出空间将同轴TEM内行波转化为右端输出的TE01模式的高功率微波，从而实现TM01至TE01高功率微波的模式转换。
图3为本发明中微波传输路径示意图，结合图2进一步解释本发明中微波的传输与转化过程。从高功率微波源输出的TM01模式的高功率微波从输入圆波导11的左端面馈入本发明，在输入圆波导11右端是输入锥形圆波导12和输入锥形匹配结构14构成的同轴渐张开喇叭状输入空间，同轴渐张开喇叭状输入空间将左端馈入的TM01模式高功率微波转换为径向上远离中心轴OO’传输的同轴TEM外行波；随后输出圆盘13将径向上的同轴TEM外行波均分为N路第一E面矩形波导中的E面TE10波，并将N路E面TE10波传输给N个极化扭转波导2；N个极化扭转波导2将N路E面TE10波转换为N路H面TE10波馈入输入圆盘33，由输入圆盘33将N个极化扭转波导2输出的N路H面TE10波转换为朝向中心轴OO’传输的同轴TEM内行波；与输入圆盘33的输出端口连接的是由输出锥形圆波导32和输出锥形匹配结构34构成的同轴渐张开喇叭状输出空间，同轴渐张开喇叭状输出空间将输入圆盘33输出的同轴TEM内行波转换为从右端输出的TE01模式的高功率微波，并通过输出圆波导31进一步传输。
图4(a)为图2中盘形多路能量功分结构1的侧视图，图4(b)是盘形多路能量功分结构1侧视时沿GG'断面的等轴剖视图。除了输入圆波导11、输入锥形圆波导12和输出圆盘13，盘形多路能量功分结构1的内部含有输入锥形匹配结构14。如图4(a)所示，第n个第一E面矩形波导13n是壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，掏空部分的宽边长度为a1，窄边长度为b1(见图4(a))，长方体盒子长度为ln1(见图4(b))。输出锥形圆波导12右端面与输出圆盘13的左端面在加工过程中一体成型以保证结构强度。如图4(b)所示，输入圆波导11为无底面圆筒，内半径为ra1，长度为lc1，侧壁厚度为t，输入圆波导11的右端与输入锥形圆波导12同轴相连，输入圆波导11的左端与高功率微波源连接，用于馈入TM01模式的高功率微波；输入锥形圆波导12为空心无底面圆锥筒，左端与输入圆波导11同轴相连，右端与输出圆盘13同轴相连，输入锥形圆波导12的轴向长度为la3，左端与输入圆波导11连接部分的半径等于ra1，右端与输出圆盘13连接部分的半径为ra5；输入锥形匹配结构14同轴嵌套在输入圆波导11、输入锥形圆波导12、第一E面矩形波导圆环13相连而成的渐张角喇叭状输入空间中，输入锥形匹配结构14由第一输入锥形匹配结构141和第二输入锥形匹配结构142组成，第一输入锥形匹配结构141为左端有底的圆锥形，轴向长度为la1，左端面半径为ra2，右端内半径为ra3，右端与第二输入锥形匹配结构142同轴相连；第二输入锥形匹配结构142为空心无底面圆锥筒，轴向长度为la2，左端内半径等于ra3，右端内半径为ra4，第二输入锥形匹配结构142右端面与输出圆盘13的右端面平齐。第一输入锥形匹配结构141与第二输入锥形匹配结构142可一体成型，也可通过焊接的方式连接。输入锥形圆波导12和输入锥形匹配结构14共同在输入圆波导11和输出圆盘13中间起到阻抗匹配的作用，输入锥形圆波导12和输入锥形匹配结构14共同实现输入圆波导11中TM01模式的高功率微波到同轴TEM外行波的高效转换。
图5是图2中第n个极化扭转波导2n的结构示意图；其中图5(a)为第n个极化扭转波导2n的三维示意图，图5(b)为第n个极化扭转波导2n的俯视图，图5(c)为第n个极化扭转波导2n的正视图，图5(d)为第n个极化扭转波导2n俯视时的剖视图。第n个极化扭转波导2n由第二E面矩形波导2n1和第一H面90度矩形弯波导2n2组成，实现从E面TE10波到H面TE10波的转换。第二E面矩形波导2n1是有一个开口的矩形盒子，宽边长度等于a1，窄边长度等于b1，长度为l1，壁厚为t，用于继续传输从第一E面矩形波导13n传来的E面TE10波，它的开口即是第二E面矩形波导输入口2n11，第二E面矩形波导输入口2n11与第一E面矩形波导输出口13n1尺寸匹配，焊接相连，右侧壁上挖有第二E面矩形波导输出口2n12，第二E面矩形波导输出口2n12与第一H面90度矩形弯波导的输入口2n21尺寸匹配，焊接相连，将H面TE10波传输给第一H面90度矩形弯波导的输入口2n21。第一H面90度矩形弯波导2n2是一个两端开口并且切去右上角的“7”字形的矩形盒子，用于接收从第二E面矩形波导输出口2n12传来的E面TE10波，将E面TE10波转换成H面TE10波，并将H面TE10波传输给输入圆盘33中的第n路第二H面矩形波导33n。第一H面90度矩形弯波导2n2的左端面是第一H面90度矩形弯波导输入口2n21，底面(即与第二E面矩形波导输入口2n11平齐的面)是第一H面90度矩形弯波导输出口2n22。第一H面90度矩形弯波导输入口2n21与第二E面矩形波导输出口2n12尺寸匹配，焊接组成第n个极化扭转波导2n，第二E面矩形波导输入口2n11与第n个第一E面矩形波导13n远离中心轴OO’的一端的第一E面矩形波导输出口13n1焊接，第一H面90度矩形弯波导输出口2n22与盘形多路能量合成结构3上的第n个第二H面矩形波导33n远离中心轴OO’的一端的第二H面矩形波导输入口33n1焊接。结合图5(c)和图5(d)，如图5(c)所示，第二E面矩形波导与第一H面90度矩形弯波导的高度差为h。第二E面矩形波导2n1的长度为l1，第二E面矩形波导输入口2n11的开口尺寸与第n个第一E面矩形波导13n保持匹配，宽边长度等于a1，窄边长度等于b1。第二E面矩形波导输出口2n12开口的宽边长度为a3，窄边长度为b2，开口位置与第二E面矩形波导输入口2n11的距离为l3。如图5(d)所示，在第二E面矩形波导输出口2n12与第一H面90度矩形弯波导输入口2n21的交界面的下端(靠近第二E面矩形波导输入口2n11一侧)沿45度角切去一部分后斜面长度为c1，并且在交界面上端距离金属壁为l2的位置沿45度角切去一部分后斜面长度为c2。进一步地，第一H面90度矩形弯波导2n2是由两个正交的长方体内部掏空出矩形通道并切去右上角一部分形成的“7”字形的90度拐弯波导。在第一H面90度矩形弯波导2n2的90度拐角外侧(右上角)，距离第一H面90度矩形弯波导输入口2n21的长度为w2处沿45度角切去一部分，留下长度为c3，高度为b2的斜面，斜面的右端与第一H面90度矩形弯波导输出口2n22的距离为l4。90度拐角α(见图5(d))内侧(左下角)是直角面，直角面左侧长度为w1，下侧长度为l3。
图6(a)为图2中盘形多路能量合成结构3的侧视图，图6(b)是盘形多路能量合成结构3侧视时的等轴剖视图。除了输入圆盘33、输出锥形圆波导32、输出圆波导31，盘形多路能量合成结构3的内部还含有输出锥形匹配结构34。输入圆盘33是由N个第二H面矩形波导围成的花瓣状圆盘形整体，第n个第二H面矩形波导33n为壁厚为t的有两个端面不封闭的中间掏空的长方体盒子，第二H面矩形波导输入口33n1与第一H面矩形波导输出口2n22相连。如图6(a)所示，第n个第二H面矩形波导33n的宽边长度等于a2，窄边长度等于b2。N个第二H面矩形波导构成的输入圆盘33接收到N路从第一H面90度矩形弯波导传来的极化扭转后的H面TE10波，并转换为同轴TEM内行波模式的高功率微波，随后由输出锥形圆波导32和输出锥形匹配结构34构成的同轴渐张开喇叭状输出空间将输入圆盘33输出的同轴TEM内行波转换为从右端输出的TE01模式的高功率微波，并通过输出圆波导31进一步传输。如图6(b)所示，输出圆波导31为无底面圆筒，内半径为rb1，长度为lc2，输出圆波导31的左端与输出锥形圆波导32的右端同轴相连，输出圆波导31的右端为本发明的输出端，输出TE01模式的高功率微波；输出锥形圆波导32为空心无底面圆锥筒，由第一输出锥形圆波导321和第二输出锥形圆波导322组成。第一输出锥形圆波导321的右端与输出圆波导31的左端同轴相连，左端与第二输出锥形圆波导322相连，第一输出锥形圆波导321轴向长度为lb3，第一输出锥形圆波导321右端内半径等于rb1，左端的内半径为rb5；第二输出锥形圆波导322右端与第一输出锥形圆波导321同轴相连，左端与输出圆盘33相连，轴向长度为lb4，第二输出锥形圆波导322左端内半径为rb6。输出锥形匹配结构34由第一输出锥形匹配结构341和第二输出锥形匹配结构342组成，它们可一体成型，也可通过焊接的方式连接。第一输出锥形匹配结构341为右端有底的圆锥形，左端与第二输出锥形匹配结构342的右端相连，轴向长度为lb1，右端内半径为rb2，左端内半径为rb3；第二输出锥形匹配结构342为渐张角喇叭状，右端与第一输出锥形匹配结构341相连，左端与输出圆盘33的端面相连，轴向长度为lb2，左端的内半径为rb4，右端内半径为rb3。
结合图2至图6，装配过程中，盘形多路能量功分结构1上的第n个第一E面矩形波导13n的第一E面矩形波导输出口13n1与第n个极化扭转波导2n左侧的第二E面矩形波导2n1的第二E面矩形波导输入口2n11焊接；极化扭转波导2n右侧的第一H面90度矩形弯波导2n2的第一H面90度矩形弯波导输出口2n22与盘形多路能量合成结构3中的第n个第二H面矩形波导33n的第二H面矩形波导输入口33n1焊接，从而组成了如图1所示的紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器。本发明中所有部件的金属壁厚度均为t，考虑到结构强度和减轻重量，5mm≤t≤8mm。
实施例：
一个工作中心频率为8.2GHz(对应微波波长为36.58mm)的紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器的实施例为，N＝18。根据条件1，确定第一E面矩形波导13的口径尺寸分别为a1×b1＝22.86mm×10.16mm，第二H面矩形波导33的口径尺寸为a2×b2＝28.5mm×12.62mm。根据条件2，首先确定输入圆波导半径ra1＝37mm，通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从输入圆波导11传输至N个第一E面矩形波导13的传输效率大于99％，得到ra2＝11.4mm、ra3＝23.3mm、ra4＝40.6mm、ra5＝58.3mm、la1＝30.2mm、la2＝18.1mm、la3＝23.6mm和lc1＝53.9mm。在此基础上，根据条件3，通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从第二E面矩形波导2n1传输至第一H面90度矩形弯波导2n2的传输效率大于99％，得到l1＝44.3mm、l2＝4mm、l3＝8.5mm、l4＝21.3mm、c1＝5.2mm、c2＝4.2mm、c3＝26.7mm、w1＝16.2mm、w2＝29mm和a3＝31.7mm。在此基础上，根据条件4，首先确定输出圆波导半径rb1＝33.4mm，通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从N个第二H面矩形波导33传输至输出圆波导31的传输效率大于99％，可以获得rb2＝4mm、rb3＝13.8mm、rb4＝43.8mm、rb5＝41.3mm、rb6＝56.7mm、lb1＝18.1mm、lb2＝26.5mm、lb3＝9.8mm、lb4＝7.3mm和lc2＝38.9mm。考虑到机械强度，所有金属壁的厚度均设置为t＝5mm。本发明的总长度为132mm，约为3.7λ，小于四倍波长，实现了紧凑的设计目标。
图7为上述实施例所述的模式转换器输入TM01模式微波和输出TE01模式微波的S参数曲线图，实线S11表示输入圆波导11输入第三个模式(TM01模式)，反射回TM01模式时的反射系数，在中心频率8.2GHz时的反射系数约为-40dB，对应于输入的TM01模式的高功率微波的反射为0.01％。虚线S21表示输入圆波导11输入第三个模式(TM01)模式，输出圆波导31接收到第六个模式(TE01模式)时的传输系数，即模式转换器将输入的TM01模式微波转为TE01模式时的传输系数，在8.1GHz到8.3GHz的频率范围内始终大于-0.1dB，表示其模式转换效率超过98％，在中心频率8.2GHz时达到99.9％以上。
图8是上述实施例在中心频率8.2GHz时的内部电场分布图，根据功率容量的计算公式在Pin＝0.5W的输入功率下，最大电场强度Emax＝873V/m，以金属在真空中的击穿阈值Ebreak＝50MV/m计算，对应于该系统在真空中的功率容量超过1.5GW。
本发明在频带范围(8.1～8.3GHz)内的其它频点同样可以达到图7和图8所示的实施效果。同时，对于与本发明频率跨度较大的频段，采用本发明中所提出结构的缩比模型，均可以实现对高功率微波TM01模式至TE01模式的转换。由上述结果可知，相较于传统TM01-TE01模式转换器，本发明这种实施方式能有效缩短系统的轴向尺寸，并实现超过98％的模式转换效率。其传输效率高，功率容量大，解决了高功率微波领域需要TE01模式远程传输问题。
Claims (10)
1.一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于紧凑型高功率微波TM01-TE01采用金属材料制成，由一个盘形多路能量功分结构(1)、N个极化扭转波导(2)和一个盘形多路能量合成结构(3)组成，所有部件的金属壁厚度均为t；定义TM01模式的高功率微波的输入端为紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器输入端，也即左端，TE01模式的高功率微波的输出端为紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器输出端，即右端；N为正整数；
盘形多路能量功分结构(1)由输入圆波导(11)、输入锥形圆波导(12)、输出圆盘(13)和输入锥形匹配结构(14)组成；输入圆波导(11)的右端与输入锥形圆波导(12)同轴相连，输入锥形圆波导(12)的右端与输出圆盘(13)的左表面同轴相连；输出圆盘(13)是由N个第一E面矩形波导围成的花瓣状圆盘形整体，其中第n个第一E面矩形波导(13n)是两个端面不封闭的壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，1≤n≤N；不封闭的两个端面指第n个第一E面矩形波导(13n)与中心轴OO’平行且沿输出圆盘(13)周向的两个端面，其中远离中心轴OO’一端不封闭的端面成为第一E面矩形波导输出口(13n1)；输入锥形匹配结构(14)同轴嵌套在输入圆波导(11)、输入锥形圆波导(12)、第一E面矩形波导圆环(13)相连而成的渐张角喇叭状输入空间中，输入锥形匹配结构(14)由第一输入锥形匹配结构(141)和第二输入锥形匹配结构(142)组成，第一输入锥形匹配结构(141)为左端有底的圆锥形，右端与第二输入锥形匹配结构(142)同轴相连；第二输入锥形匹配结构(142)为空心无底面圆锥筒，第二输入锥形匹配结构(142)右端面与输出圆盘(13)的右端面平齐；输入圆波导(11)、输入锥形圆波导(12)、输入锥形匹配结构(14)与第一E面矩形波导的(13n)的靠近中心轴OO’一端不封闭的端面相通，成为微波的通路；输入圆波导(11)的左端为紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器输入端，将TM01模式的高功率微波馈入输入锥形圆波导(12)和输入锥形匹配结构(14)构成的同轴渐张开喇叭状输入空间，输入锥形圆波导(12)和输入锥形匹配结构(14)共同在输入圆波导(11)和输出圆盘(13)中间起阻抗匹配的作用；同轴渐张开喇叭状输入空间将左端馈入的TM01模式高功率微波转换为径向上远离中心轴OO’传输的同轴TEM外行波；输出圆盘(13)将径向上的同轴TEM外行波均分为N路第一E面矩形波导中的E面TE10波，并将N路E面TE10波传输给N个极化扭转波导(2)；
N个极化扭转波导(2)中的第n个极化扭转波导(2n)由第二E面矩形波导(2n1)和第一H面90度矩形弯波导(2n2)组成；第二E面矩形波导(2n1)有一个输入端和一个输出端，输入端与第一E面矩形波导的(13n)的第一E面矩形波导输出口(13n1)相连，输出端与第一H面90度矩形弯波导(2n2)的输入端相连；第二E面矩形波导(2n1)是有一个底的壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，开口的一端成为第二E面矩形波导(2n1)的第二E面矩形波导输入口(2n11)，第二E面矩形波导输入口(2n11)与第一E面矩形波导输出口(13n1)尺寸匹配，通过焊接对齐，用于继续传输从第一E面矩形波导输出口(13n1)接收的E面TE10波；第二E面矩形波导(2n1)右侧壁开有第二E面矩形波导输出口(2n12)，第二E面矩形波导输出口(2n12)是一个矩形通口，与第一H面90度矩形弯波导(2n2)左侧的第一H面90度矩形弯波导输入口(2n21)尺寸相同，通过焊接对齐；第一H面90度矩形弯波导(2n2)是一个两端开口且由两个正交的长方体内部掏空出矩形通道并切去右上角一部分形成的“7”字形的90度拐弯波导，用于接收从第二E面矩形波导输出口(2n12)传来的E面TE10波，将E面TE10波转换成H面TE10波，实现极化方向的扭转，并将H面TE10波传输给输入圆盘(33)中的第n路第二H面矩形波导(33n)；第一H面90度矩形弯波导(2n2)的左端面是第一H面90度矩形弯波导输入口(2n21)，底面即与第二E面矩形波导输入口(2n11)平齐的面是第一H面90度矩形弯波导输出口(2n22)；第一H面矩形波导输出口(2n22)与盘形多路能量合成结构(3)的输入圆盘(33)的第二H面矩形波导(33n)远离中心轴OO’一端的第二H面矩形波导输入口(33n1)尺寸匹配，通过焊接对齐；N个极化扭转波导(2)将极化扭转后的H面TE10波传输给盘形多路能量合成结构(3)；
盘形多路能量合成结构(3)由输入圆盘(33)、输出锥形圆波导(32)、输出圆波导(31)和输出锥形匹配结构(34)组成；输入圆盘(33)是由N个第二H面矩形波导围成的花瓣状圆盘形整体，其中第n个第二H面矩形波导(33n)是有两个端面不封闭的壁厚为t的中间掏空的长方体盒子，不封闭的两个端面指第n个第二H面矩形波导(33n)与OO’平行且沿输入圆盘(33)周向的两个端面，其中远离中心轴OO’一端不封闭的端面成为第二H面矩形波导输入口(33n1)；第二H面矩形波导输入口(33n1)与第一H面矩形波导输出口(2n22)相连；输出圆波导(31)的左端与输出锥形圆波导(32)的右端同轴相连，输出圆波导(31)的右端为紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器的输出端；输出锥形圆波导(32)为空心无底面圆锥筒，由第一输出锥形圆波导(321)和第二输出锥形圆波导(322)组成；第一输出锥形圆波导(321)的右端与输出圆波导(31)的左端同轴相连，左端与第二输出锥形圆波导(322)相连；第二输出锥形圆波导(322)右端与第一输出锥形圆波导(321)同轴相连，左端与输入圆盘(33)相连；输出锥形匹配结构(34)由第一输出锥形匹配结构(341)和第二输出锥形匹配结构(342)组成；第一输出锥形匹配结构(341)为右端有底的圆锥形，左端与第二输出锥形匹配结构(342)的右端相连；第二输出锥形匹配结构(342)为渐张角喇叭状，右端与第一输出锥形匹配结构(341)相连，左端与输入圆盘(33)的端面相连；输入圆盘(33)将N路从第一H面90度矩形弯波导传来的极化扭转后的H面TE10波转换为同轴TEM内行波模式的高功率微波，输出锥形圆波导(32)和输出锥形匹配结构(34)构成的同轴渐张开喇叭状输出空间将输入圆盘(33)输出的同轴TEM内行波模式的高功率微波转换为从右端输出的TE01模式的高功率微波，并通过输出圆波导(31)进一步传输并输出。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于紧凑型高功率微波TM01-TE01采用的金属材料指铝合金或不锈钢。
3.如权利要求1所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述N满足6≤N≤20，所述t满足5mm≤t≤8mm。
4.如权利要求1所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述第n个第一E面矩形波导(13n)掏空部分的宽边长度为a1，窄边长度为b1，长方体盒子长度为ln1；输入圆波导(11)为无底面圆筒，内半径为ra1，长度为lc1；输入锥形圆波导(12)为空心无底面圆锥筒，轴向长度为la3，左端与输入圆波导(11)连接部分的半径等于ra1，右端与输出圆盘(13)连接部分的半径为ra5；第一输入锥形匹配结构(141)轴向长度为la1，左端面半径为ra2，右端内半径为ra3；第二输入锥形匹配结构(142)轴向长度为la2，左端内半径等于ra3，右端内半径为ra4。
5.如权利要求4所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述a1和b1满足a1×b1＝22.86mm×10.16mm；所述ra1>λ/3.41，其中λ为输入高功率微波的中心频率所对应的真空中的波长；所述ra5>N×a1/2π，且ra5>ra4>ra1>ra3>ra2，lc1>λ/2；la3>λ/4；la1+la2>la3+b1；在确定a1和b1的前提下，对于满足ra1>λ/3.41条件下的任意给定的ra1的值，通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从输入圆波导(11)传输至N个第一E面矩形波导的传输效率大于99％，获得ra2、ra3、ra4、ra5、la1、la2、la3和lc1的精确值。
6.如权利要求1所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述第二E面矩形波导(2n1)是靠近中心轴OO’端面有一个开口的矩形盒子，宽边长度等于第一E面矩形波导(13n)掏空部分的宽边长度a1，窄边长度等于第一E面矩形波导(13n)掏空部分的窄边长度b1，长度为l1；第二E面矩形波导(2n1)与第一H面90度矩形弯波导(2n2)的高度差为h；第二E面矩形波导输入口(2n11)的宽边长度等于a1，窄边长度等于b1；第二E面矩形波导输出口(2n12)开口的宽边长度为a3，窄边长度等于第二H面矩形波导(33n)的窄边长度b2，开口位置与第二E面矩形波导输入口(2n11)的距离为l3；在第二E面矩形波导输出口(2n12)与第一H面90度矩形弯波导输入口(2n21)的交界面的下端沿45度角切去一部分后斜面长度为c1，并且在交界面上端距离金属壁为l2的位置沿45度角切去一部分后斜面长度为c2；在第一H面90度矩形弯波导(2n2)的90度拐角外侧，距离第一H面90度矩形弯波导输入口(2n21)的长度为w2处沿45度角切去一部分，留下长度为c3，高度为b2的斜面，斜面的右端与第一H面90度矩形弯波导输出口(2n22)的距离为l4；90度拐角α内侧是直角面，直角面左侧长度为w1，下侧长度为l3。
7.如权利要求6所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述h满足a1＝b2+h，l1＝l2+a3+l3，c3>c1＝c2>0，且有w2>w1>b1和l4>l3；通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从第n个第二E面矩形波导(2n1)传输至第n个第一H面90度矩形弯波导(2n2)的传输效率大于99％，获得l1、l2、l3、l4、c1、c2、c3、w1、w2和a3的精确值；a2为第n个第一H面90度矩形弯波导输出口(2n22)的宽边长度，b2为第n个第一H面90度矩形弯波导输出口(2n22)的窄边长度。
8.如权利要求1所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述第n个第二H面矩形波导(33n)的宽边长度为a2，窄边长度为b2；输出圆波导(31)为无底面圆筒，内半径为rb1，长度为lc2；第一输出锥形圆波导(321)轴向长度为lb3，第一输出锥形圆波导(321)右端内半径等于rb1，左端的内半径为rb5；第二输出锥形圆波导(322)轴向长度为lb4，第二输出锥形圆波导(322)左端内半径为rb6；第一输出锥形匹配结构(341)轴向长度为lb1，右端内半径为rb2，左端内半径为rb3；第二输出锥形匹配结构(342)轴向长度为lb2，左端的内半径为rb4，右端内半径等于rb3。
9.如权利要求8所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述a2和b2满足a2×b2＝28.5mm×12.62mm；rb6>N×b2/2π且rb6>rb5>rb1，且rb6>rb4>rb3>rb2，rb1>λ/3.41；lc2>λ/2；lb3+lb4>λ/4；lb1+lb2<lb3+lb4+a2；在确定ra1、a2和b2的前提下，对于满足rb1>λ/3.41条件下的任意给定的rb1的值，通过电磁仿真软件CST，设定优化的条件为微波从N个第二H面矩形波导传输至输出圆波导(31)的传输效率大于99％，获得rb2、rb3、rb4、rb5、rb6、lb1、lb2、lb3、lb4和lc2的精确值。
10.如权利要求1所述的一种紧凑型高功率微波TM01-TE01模式转换器，其特征在于所述输出锥形圆波导(12)右端面与输出圆盘(13)的左端面在加工过程中一体成型或焊接在一起；所述第一输入锥形匹配结构(141)与第二输入锥形匹配结构(142)一体成型或焊接在一起；第一输出锥形匹配结构(341)和第二输出锥形匹配结构(342)一体成型或焊接在一起。
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