CN115377638A - 一种高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种高功率微波同轴TEM‑圆波导TE11模式转换器，由同轴波导、矩形波导和圆波导级联组成。同轴波导由一段规则同轴波导和一段外、内半径逐渐增大的锥形同轴波导级联而成；锥形同轴波导外、内导体之间沿径向对称设置两根金属杆，金属杆中心轴与同轴波导中心轴相交且垂直。矩形波导宽边所在两个波导壁分别设置输入接口和输出接口，输入接口与前级的锥形同轴波导外导体连接，同轴内导体延伸至矩形波导内部；输出接口与后级圆波导连接。圆波导中心轴与同轴波导中心轴重合。本发明实现从同轴TEM到圆波导TE11的模式转换，具有结构紧凑、转换效率高、功率容量高、输入端口和输出端口共轴等优点，能应用于高功率微波系统中。
Description
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种结构紧凑、转换效率高、功率容量高、输入端口和输出端口中心共轴的同轴TEM到圆波导TE11的模式转换器。
背景技术
高功率微波通常是指一种峰值功率在100MW以上或平均功率超过1MW，频率在0.1～300GHz范围内的强电磁脉冲。随着研究的不断深入，高功率微波技术在军事、工业、生物医学等众多领域得到了广泛的应用。然而，大多数高功率微波源，如相对论磁控管、虚阴极振荡器以及磁绝缘线振荡器等，均以同轴TEM模式或圆波导TM01模式输出。若高功率微波系统直接通过以上模式辐射，其增益方向图将呈圆环发散状，视轴上的辐射增益为零，不利于微波能量的高效定向发射。因此，在实际的高功率微波发射场景中，需要通过模式转换器将同轴TEM模式或者圆波导TM01模式转换成轴向辐射增益最强的圆波导TE11模式。
目前，典型的高功率微波模式转换器主要有：双弯曲结构的模式转换器、三弯曲结构的模式转换器、插板式模式转换器等。双弯曲结构的模式转换器虽然能够达到99.99％的转换效率，但是器件加工困难、体积庞大，而且该类模式转换器的输入端口和输出端口的中心轴不在同一直线上，系统集成困难。三弯曲结构的模式转换器通过额外增加一段弯曲波导，解决了输入端口和输出端口中心不共轴的问题，但弯曲结构的增加极大影响了系统的整体布局和紧凑性，系统仍然存在体积庞大和加工困难的问题。刘庆想教授和袁成卫博士设计了一款插板式模式转换器(刘庆想，插板式同轴微波模式变换器，专利号ZL200410022230.4)。该设计首先利用两块金属插板将同轴波导分成两路180°扇形波导；然后再向扇形波导中插入两块金属板作为相位调节结构，调节金属板长度使两路扇形波导中的微波模式形成180°的相位差；最后合成两路扇形波导中的微波模式，实现模式转换。该模式转换器具有功率容量高、输入端口和输出端口中心共轴的优点，但是器件内部结构复杂、体积大、系统加工困难、成本较高。因此，设计一种结构紧凑、转换效率高、功率容量高、输入端口和输出端口中心共轴的高功率微波模式转换器具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模式转换器，实现同轴TEM模式到圆波导TE11模式的转换，同时满足结构紧凑、转换效率高、功率容量高、输入端口和输出端口中心共轴等应用需求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：由同轴波导、矩形波导和圆波导级联组成；所述同轴波导由一段规则同轴波导和一段外、内半径逐渐增大的锥形同轴波导级联而成；所述锥形同轴波导外、内导体之间沿径向对称设置两根金属杆，金属杆中心轴与同轴波导中心轴相交并且垂直；所述矩形波导左右两端为短路面，其宽边所在两个波导壁分别设置输入接口和输出接口，输入接口与前级的锥形同轴波导外导体连接，锥形同轴波导的内导体延伸至矩形波导内部；输出接口与后级的圆波导连接；所述圆波导中心轴与同轴波导中心轴重合。
进一步地，所述规则同轴波导的外半径为R1，内半径为R2；满足条件:0＜(R1+R2)＜c/πf，其中c为光速，f为模式转换器的中心频率。
进一步地，所述锥形同轴波导的下底面外半径为R3，下底面内半径为R4，其上底面的外、内半径与规则同轴波导的外、内半径大小相同；所述锥形同轴波导的内导体向矩形波导内部延伸长度L1。
进一步地，所述矩形波导横截面的宽度为a，高度为b；矩形波导的右段面距离同轴波导中心轴线的长度为L2，左段面距离同轴波导中心轴线的长度为L3。
进一步地，所述圆波导的半径为R5。
进一步地，所述金属杆的直径为D1。
进一步地，所述高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器的输入端口与高功率微波源的输出端口相接，输入为同轴TEM模式；经过模式转换器变换后，以圆波导TE11模式输出。
本发明的有益效果在于：
1)结构简单、紧凑。通过同轴波导、矩形波导和圆波导的简单相接，就能够实现高效率的模式转换，具有结构简单、加工容易的优点。本发明径向尺寸为1.14个导波波长，纵向尺寸为2.24个导波波长，结构紧凑、体积小。
2)转换效率高、功率容量高。本发明最大模式转换效率为99.5％，转换效率大于90％的相对带宽为23.7％；功率容量高达1.1GW，满足高功率微波系统的要求。
3)本发明输入端口和输出端口中心共轴、加工容易，利于系统的整体布局，易与高功率微波系统集成。
4)本发明通过合理设计两根金属圆柱的插入位置，能够改善模式转换器的匹配性能，拓宽转换效率大于90％的工作带宽。
附图说明
图1是本发明的高功率微波模式转换器的三维结构图。
图2是本发明的高功率微波模式转换器的主视图。
图3是本发明的高功率微波模式转换器的侧视图。
图4是本发明的高功率微波模式转换器的俯视图。
图5是本发明的高功率微波模式转换器的A-A剖视图。
图6是本发明的高功率微波模式转换器的B-B剖视图。
图7是本发明的高功率微波模式转换器的传输系数曲线图。
图8是本发明的高功率微波模式转换器的反射系数曲线图。
图9是本发明的高功率微波模式转换器的转换效率曲线图。
图10是本发明的高功率微波模式转换器的内部电场分布图。
附图标记：1-规则同轴波导，2、6-同轴波导的内导体，3、4-金属杆，5-锥形同轴波导，7-矩形波导，8-圆波导
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明设计了一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，由同轴波导(1，5)、矩形波导(7)和圆波导(8)级联组成。同轴波导由一段规则同轴波导(1)和一段外、内半径逐渐增大的锥形同轴波导(5)级联而成，两段同轴波导均包含外导体和内导体(2，6)；同轴波导与上游高功率微波源器件连接，输入同轴TEM模式；锥形同轴波导的外、内导体(6)之间沿径向对称设置两根金属杆(3，4)，金属杆中心轴与同轴波导中心轴相交并且垂直。矩形波导宽边所在两个波导壁分别设置输入接口和输出接口，输入接口与前级的锥形同轴波导外导体连接，同轴内导体延伸至矩形波导内部；输出接口与后级的圆波导连接。圆波导中心轴与同轴波导中心轴重合，其作为模式转换器的输出级与下游器件连接，输出圆波导TE11模式。
图2、图3和图4分别为模式转换器的主视图、侧视图和俯视图，标注了模式转换器的结构参数。
规则同轴波导(1)与上游高功率微波源输出端口连接，其外半径R1和内半径R2满足关系：0＜(R1+R2)＜c/πf，只能传输同轴TEM模式，其中，c为光速，f为模式转换器的中心频率。选取f＝1.85GHz，因此R1＝2.8cm，R2＝1.0cm。
锥形同轴波导与规则同轴波导依次连接，两者的中心轴线重合。锥形同轴波导下底面的外半径R3＝8.0cm，内半径R4＝3.0cm，其上底面的外、内半径与规则同轴波导的外、内半径大小相同。为了抑制同轴TEM模式的反射，在锥形同轴波导的外导体和内导体之间径向对称设置两根金属杆，通过合理设计两根金属杆的位置，可以提高模式转换器的转换效率，同时拓宽工作频带。本发明中，两根金属杆与模式转换器输入端口的垂直距离H＝5.8cm，直径D1＝0.2cm。为了在矩形波导中最大程度激励矩形TE10模式，锥形同轴波导的内导体向矩形波导内部延伸长度L1＝0.1cm。
矩形波导(7)是模式转换器的重要组成部分，其横截面宽度a＝16.0cm，高度b＝5.0cm。矩形波导右端面和左端面距离圆波导(8)中心轴线的长度分别为：L2＝11.1cm，L3＝8.0cm。矩形波导(7)宽面所在的上下两个波导壁分别与锥形同轴波导(5)的外导体和圆波导连接。圆波导(8)作为模式转换器的输出级与下游器件连接，输出圆波导TE11模式，其半径R5＝5.6cm。
图5和图6分别是本发明的高功率微波模式转换器的A-A和B-B剖视图，标注了从模式转换器的输入端口至输出端口的微波模式电场转换过程。模式转换过程主要分为两部分，一部分为从同轴波导到矩形波导的模式激励过程，另一部分为从矩形波导到圆波导的模式耦合过程。通过A-A剖视图可知(图5)，输入同轴TEM模式在锥形同轴波导的内导体作用下，在矩形波导中激励出矩形TE10模式；再从B-B剖视图中可知(图6)，矩形TE10模式在圆波导中被耦合成圆波导TE11模式。
图7是本发明的高功率微波模式转换器的传输系数曲线图。由图7可知，模式转换器的端口1输入模式为同轴TEM模式，端口2主要输出圆波导TM01模式(模式3)和圆波导TE11的两种简并模式，其中模式1为TE11X模式，模式2为TE11Y模式。据图可知，在1.64～2.08GHz频率范围内，主要输出TE11X模式，TE11x模式的传输系数大于-0.48dB，TE11Y模式的传输系数在-40dB以下，TM01模式的传输系数在-10dB以下。结果表明模式转换器的能量主要以TE11X的模式输出，只有极少部分能量以TM01模式和TE11Y模式输出。
图8是本发明的高功率微波模式转换器的反射系数曲线图。由图可知，在1.64～2.09GHz频率范围内，反射系数小于-10dB；在1.85GHz处，反射系数小于-20dB；说明该模式转换器具有良好的匹配性能，在较宽频带内反射的能量很小。
图9是本发明的高功率微波模式转换器的转换效率曲线图。由图可知，在1.64～2.08GHz(440MHz)频率范围内，模式转换器主要输出TE11X模式，转换效率大于90％；同时，TM01模式和TE11Y模式的转换效率之和小于10％；TE11X模式在中心频点1.85GHz处的转换效率为99.5％，TM01模式和TE11Y模式的转换效率之和仅为0.13％；这表明模式转换器具有很高的模式转换纯度，能够在较宽的工作频带内工作。
图10是本发明的高功率微波模式转换器的内部电场分布图。由图可知，模式转换器内部的最大电场强度为1157.4V/m。根据Kilpatrick公式f＝1.643E2e-8.5/E计算得到击穿场强为37.6MV/m；再由P＝Pin·(Eb/Er)2可以得到该模式转换器的功率容量为1.1GW，其中Eb为击穿场强，Er为模式转换器的实际场强。因此，本发明的模式转换器具有高的功率容量。
综上所述，本发明的高功率微波模式转换器具有结构紧凑、转换效率高、功率容量高、输入端口和输出端口中心共轴等优点，能够应用于高功率微波传输和辐射系统中。
Claims (7)
1.一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：由同轴波导、矩形波导和圆波导级联组成；所述同轴波导由一段规则同轴波导和一段外、内半径逐渐增大的锥形同轴波导级联而成；所述锥形同轴波导外、内导体之间沿径向对称设置两根金属杆，金属杆中心轴与同轴波导中心轴相交并且垂直；所述矩形波导左右两端为短路面，其宽边所在的两个波导壁分别设置输入接口和输出接口，输入接口与前级的锥形同轴波导外导体连接，锥形同轴波导的内导体延伸至矩形波导内部；输出接口与后级的圆波导连接；所述圆波导中心轴与同轴波导中心轴重合。
2.根据权利要求1所述的一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：所述规则同轴波导的外半径为R1，内半径为R2；满足条件:0＜(R1+R2)＜c/πf，其中c为光速，f为模式转换器的中心频率。
3.根据权利要求1所述的一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：所述锥形同轴波导的下底面外半径为R3，下底面内半径为R4，其上底面的外、内半径与规则同轴波导的外、内半径大小相同；所述锥形同轴波导的内导体向矩形波导内部延伸长度L1。
4.根据权利要求1所述的一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：所述矩形波导横截面的宽度为a，高度为b；矩形波导的右端面距离同轴波导中心轴线的长度为L2，左端面距离同轴波导中心轴线的长度为L3。
5.根据权利要求1所述的一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：所述圆波导的半径为R5。
6.根据权利要求1所述的一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：所述金属杆的直径为D1。
7.根据权利要求1所述的一种高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器，其特征在于：所述高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器的输入端口与高功率微波源的输出端口相接，输入为同轴TEM模式；经过模式转换器变换后，以圆波导TE11模式输出。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0520919A1 (fr) * | 1991-06-26 | 1992-12-30 | France Telecom | Dispositif de filtrage d'ondes électromagnétiques circulant dans un guide d'ondes à symétrie de révolution, à tronçons de guides d'ondes de filtrage rectangulaires insérés |
| US5369367A (en) * | 1992-12-02 | 1994-11-29 | Hughes Aircraft Company | Wideband coax-to-TM01 converter and testing system using the same |
| CN103956551A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-07-30 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器 |
| CN103956537A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-07-30 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 高功率微波圆波导插板混合模式转换器 |
| CN106099288A (zh) * | 2016-07-13 | 2016-11-09 | 西北核技术研究所 | 应用于三路高效高隔离度功率合成的紧凑五端口结构 |
| CN107123842A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-09-01 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种带中心孔盘荷波导多频可控模式转换器 |
-
2022
- 2022-06-23 CN CN202210717089.8A patent/CN115377638B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0520919A1 (fr) * | 1991-06-26 | 1992-12-30 | France Telecom | Dispositif de filtrage d'ondes électromagnétiques circulant dans un guide d'ondes à symétrie de révolution, à tronçons de guides d'ondes de filtrage rectangulaires insérés |
| US5369367A (en) * | 1992-12-02 | 1994-11-29 | Hughes Aircraft Company | Wideband coax-to-TM01 converter and testing system using the same |
| CN103956551A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-07-30 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器 |
| CN103956537A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-07-30 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 高功率微波圆波导插板混合模式转换器 |
| CN106099288A (zh) * | 2016-07-13 | 2016-11-09 | 西北核技术研究所 | 应用于三路高效高隔离度功率合成的紧凑五端口结构 |
| CN107123842A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-09-01 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种带中心孔盘荷波导多频可控模式转换器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| YUJI AKAGI ET.AL: "A Multi-Band Dielectric-Loaded Horn Antenna with Two Feed Systems", 《2019 INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTROMAGNETICS IN ADVANCED APPLICATIONS (ICEAA)》 * |
| 张祖成: "高功率微波模式转换及功率合成技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 * |
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