CN115832650A - 一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，包括依次连接的能够实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₁₁模式变换的方圆过渡组件和能够实现圆波导TE₁₁模式变换成圆波导TE₀₁模式的同心弯曲波导组件，方圆过渡组件和同心弯曲波导组件外侧设置有用于冷却的水冷组件，同心弯曲波导组件内部的同心弯曲波导腔体内壁轮廓结构为同心弯曲曲线结构。通过TE₁₁‑TE₀₁的转换效率达到99.91％的同心弯曲波导腔体内部轮廓线，使圆波导TE₁₁模式到圆波导TE₀₁模式进行高效变换，并使得波导输出端中心和输入端的中心位于同一条直线上，并在转换装置的外部设计了通过水流进行主动冷却的水冷组件，移除了转换装置高功率长期运行时产生的热量，保证了高功率微波的稳态传输。

Description

一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，特别涉及一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置。

背景技术

在高功率微波系统中，从波源输出的仍是矩形波导TE₁₀模式，并且在终端负载处，也要以矩形波导TE₁₀模式馈入，以过模作为传输模式、抑制主模和其他高次模式研究较少，技术不成熟，需要高纯度的TE₀₁模式馈入圆波导中，在圆波导中激励出TE₀₁模式，才可以完成过模传输，因此，将微波源输出的矩形波导TE₁₀模式，高效转换成TE₀₁模式是完成过模传输要解决的必要性和紧迫性难题。

并且在现有技术中TE₁₀-TE₀₁模式的变换需要先把矩形波导的TE₁₀模式变换成圆波导的TE₁₁模式，再把圆波导的TE₁₁模式变换成TE₀₁模式，其中矩形波导的TE₁₀模式变换成圆波导的TE₁₁模式通过距圆拉伸变换即可，在技术上相对成熟，而圆波导的TE₁₁模式变换成过模TE₀₁模式通常采用的是正弦或者余弦的轮廓线构造波导边界结构来实现模式转换，但是这种方法设计出来的波导输出端中心和输入端的中心不在一条直线上，存在偏心的问题，在工程应用上存在缺陷，同时高功率微波在传输过程中会产生大量的热量，会影响高功率微波传输过程中的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种将矩形波导TE₁₀模式转换成TE₀₁模式，转换后的TE₀₁模式输入圆波导，并在在圆波导中激励出TE₀₁模式，实现大功率微波的远距离传输的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：包括依次连接的能够实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₁₁模式变换的方圆过渡组件和能够实现圆波导TE₁₁模式变换成圆波导TE₀₁模式的同心弯曲波导组件，所述方圆过渡组件和同心弯曲波导组件外侧设置有用于冷却的水冷组件，所述同心弯曲波导组件内部的同心弯曲波导腔体内壁轮廓结构为同心弯曲曲线结构。

进一步的，所述同心弯曲曲线是采用非均匀有理B样条曲线，通过调节控制点，节点矢量以及权因子来达到控制轮廓线，得到轮廓线后，计算出曲线的曲率代入耦合波方程中求解，得到转换效率，若转换效率不满足要求，则需要对控制点进行优化，通过遗传算法对控制点进行调整和优化，最终构造出所需的轮廓线。

进一步的，所述方圆过渡组件包括矩形波导段、第一圆波导段和第二圆波导段，所述矩形波导段自然且光滑地过渡到第一圆波导段，所述第一圆波导段至第二圆波导段之间的部分为喇叭状的拉伸结构，所述第二圆波导段与所述同心弯曲波导腔体连通。

进一步的，所述方圆过渡组件和同心弯曲波导组件由上腔体和下腔体拼接构成，所述上腔体和下腔体上均设置有用于对所述方圆过渡组件和同心弯曲波导组件进行冷却的水冷组件。

进一步的，所述方圆过渡组件中矩形波导段的一端设置有第一端面铣台阶，所述第一端面铣台阶上焊接有方法兰，所述同心弯曲波导腔体未与第二圆波导段连接的一端设置有第二端面铣台阶，所述第二端面铣台阶上焊接有圆法兰，所述方法兰和圆法兰内均装配有用于密封的橡胶圈。

进一步的，所述水冷组件包括位于方圆过渡组件一侧的方圆过渡水槽和位于同心弯曲波导组件一侧的同心弯曲波导水冷槽，所述方圆过渡水槽设置有进水端，所述同心弯曲波导水冷槽设置有出水端，所述方圆过渡水槽与所述同心弯曲波导水冷槽通过连接通道连通。

进一步的，所述方圆过渡水槽为沿轴向方向开设的纵向T型水冷槽，所述方圆过渡水槽上焊接有同样为T型的第一水冷盖板，所述第一水冷盖板上开设有第一通孔，在所述第一通孔上焊接有进水接头。

进一步的，所述同心弯曲波导水冷槽为长方形结构，并在内部沿轴向方向设置有筋板从而构成“几”字型流水槽，冷却水通过筋板由直流引导为“几”字形流动，所述同心弯曲波导水冷槽上焊接有长方形的第二水冷盖板，所述第二水冷盖板上开设有第二通孔，所述第二通孔上焊接有排水接头。

进一步的，所述方圆过渡组件、同心弯曲波导组件和水冷组件的材质均为铝材。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在本发明中，通过采用非均匀有理B样条曲线构造，调节控制点，节点矢量以及权因子来达到控制的目的，以调整主模和寄生模式间的耦合强度，得到TE₁₁-TE₀₁的转换效率达到99.91％的同心弯曲波导腔体内部轮廓线，从而使圆波导TE₁₁模式到圆波导TE₀₁模式进行高效变换，并使得波导输出端中心和输入端的中心位于同一条直线上，并且由于过模波导的横截面尺寸超过了同频率的传输单模的矩形波导，损耗值也相比于传输单模的矩形波导降低了一个数量级，实现将波源输出的高损耗矩形波导TE₁₀模式转换成低损耗的圆波导TE₀₁模式；

同时在转换装置的外部设计了通过水流进行主动冷却的水冷组件，移除了转换装置高功率长期运行时产生的热量，保证了高功率微波的稳态传输。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构分解示意图；

图3为本发明中的下腔体结构示意图；

图4为本发明中水冷组件结构示意图；

图5为本发明中同心弯曲波导水冷槽结构示意图；

图6为对控制点进行优化后得到的转化效率和频率的关系曲线图；

图7为实验分析中的第一转换效率结果图；

图8为实验分析中的第二转换效率结果图；

其中，附图标记对应的名称为：

方圆过渡组件1、同心弯曲波导组件2、水冷组件3、圆法兰4、方法兰5、矩形波导段6、第一圆波导段7、第二圆波导段8、同心弯曲波导腔体9、上腔体10、下腔体11、第一端面铣台阶12、第二端面铣台阶13、同心弯曲曲线14、方圆过渡水冷槽15、同心弯曲波导水冷槽16、连接通道17、第一水冷盖板18、第一通孔19、进水接头20、筋板21、第二水冷盖板22、第二通孔23、排水接头24。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例1

参考图1-图5所示，本实施例中所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，包括沿轴线分离可拼接的上腔体10和下腔体11，通过上腔体10和下腔体11拼接在一起构成依次连接的方圆过渡组件1和同心弯曲波导组件2，在上腔体10和下腔体11上均设置有用于对方圆过渡组件1和同心弯曲波导组件2进行降温的水冷组件3。

方圆过渡组件1内部由口径为长28.5mm、宽12.6mm的波导号为BJ84矩形波导段6、直径为52mm的第一圆波导段7和直径为61.04mm的第二圆波导段8组成，其中矩形波导段6自然且光滑的过渡到第一圆波导段7，第一圆波导段7至第二圆波导段8的部分为喇叭状的拉伸结构。

同心弯曲波导组件2内部的同心弯曲波导腔体9内壁为同心弯曲曲线14，方圆过渡组件1的第二圆波导段8与同心弯曲波导腔体9一端连接，同心弯曲曲线14是采用非均匀有理B样条曲线构造出来的轮廓线，从而使得波导输出端中心和输入端的中心处于一条直线上。

轮廓线的初始控制点表示如下：

{P_i}＝{(x₁,0),(x₂,0),(x₃,y₃)......(x₂₆,y₂₆),(x₂₇,y₂₇),(x₂₈,y₂₈),(x₂₉,0),(x₃₀,0)}

式中P_i表示选取点的集合，x₁,x₂...x₃₀表示取了30个控制点，其中点(x₁,0)(x₂,0)可以将输入端口调成平行，而且输入端初始幅度为0，(x₂₉,0)(x₃₀,0)输出端口调成平行，而且输出端初始幅度为0，这样就可以保证输入端口和输出端口平行共轴。

在得到一组控制点后，通过非均匀有理B样条曲线方法得到曲线结构，并计算出曲线的曲率代入耦合波方程中求解，得到转换效率后，若不满足，则对控制点进行优化，通过遗传算法对控制点进行调整和优化，最终获得转化效率和频率的关系曲线如图6所示。

通过调节控制点，节点矢量以及权因子来达到控制轮廓线的目的，以调整主模和寄生模式间的耦合强度，达到圆波导TE₁₁模式到圆波导TE₀₁模式的高效变换的目的。

通过以上优化计算，得到的曲线结构为同心弯曲曲线14，在器件工作频带的中心频率8.5GHz时，TE11-TE01的转换效率达到99.91％。

在方圆过渡1的矩形波导段6一端设置有第一端面铣台阶12用于焊接方法兰5，在同心弯曲波导腔体2未与第二圆波导段8连接的一端设置有第二端面铣台阶13用于焊接圆法兰4，通过焊接方法兰5和圆法兰4将上腔体与下腔体拼接固定。

水冷组件3包括位于方圆过渡组件1一侧的方圆过渡水槽15和位于同心弯曲波导组件2一侧的同心弯曲波导水冷槽16。

其中方圆过渡水槽15和同心弯曲波导水冷槽16之间通过连接通道17连通，方圆过渡水槽15为沿轴向方向开设的纵向T型水冷槽，在方圆过渡水槽15上焊接有同样为T型的第一水冷盖板18，第一水冷盖板18上开设有第一通孔19，在第一通孔19上焊接有进水接头20；同心弯曲波导水冷槽16为长方形结构，并在内部沿轴向方向设置有筋板21从而构成“几”字型流水槽，从而将冷却水由直流引导为“几”字形流动，增加冷却效果，在同心弯曲波导水冷槽16上焊接有长方形的第二水冷盖板22，第二水冷盖板22开设有第二通孔23，第二通孔23上焊接有排水接头24；在冷却水供水压力0.4～0.6MPa时，稳态传输100kW功率时，以2％计算损耗的情况下，进出水温升控制在40度以内，水冷组件3保证了高功率微波的稳态传输。

通过对本实施例进行实验分析：

在器件工作频带的中心频率为8.5GHz时，直径为52mm的第一圆波导段7经过喇叭状的拉伸变换到直径为61.04mm的第二圆波导段8，通过电磁模拟计算得到方圆过渡1如图7所示的转换效率结果。

第二圆波导段8变换到同心弯曲波导组件9内，电磁模拟计算的转换效率结果如图8所示。

通过上述结果图可知，本实施例中在器件工作频带的中心频率为8.5GHz时，TE₁₀-TE₁₁的转换效率达到99.84％，TE₁₁过渡器的转换效率达到99.95％，实现了将波源输出的矩形波导TE₁₀模式高效转换成TE₀₁模式，保证了高功率微波的稳态传输。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：包括依次连接的能够实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₁₁模式变换的方圆过渡组件和能够实现圆波导TE₁₁模式变换成圆波导TE₀₁模式的同心弯曲波导组件，所述方圆过渡组件和同心弯曲波导组件外侧设置有用于冷却的水冷组件，所述同心弯曲波导组件内部的同心弯曲波导腔体内壁轮廓结构为同心弯曲曲线结构。

2.根据权利要求1所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述同心弯曲曲线是采用非均匀有理B样条曲线，通过调节控制点，节点矢量以及权因子来达到控制轮廓线，得到轮廓线后，计算出曲线的曲率代入耦合波方程中求解，得到转换效率，若转换效率不满足要求，则需要对控制点进行优化，通过遗传算法对控制点进行调整和优化，最终构造出所需的轮廓线。

3.根据权利要求2所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述方圆过渡组件包括矩形波导段、第一圆波导段和第二圆波导段，所述矩形波导段自然且光滑地过渡到第一圆波导段，所述第一圆波导段至第二圆波导段之间的部分为喇叭状的拉伸结构，所述第二圆波导段与所述同心弯曲波导腔体连通。

4.根据权利要求3所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述方圆过渡组件和同心弯曲波导组件由上腔体和下腔体拼接构成，所述上腔体和下腔体上均设置有用于对所述方圆过渡组件和同心弯曲波导组件进行冷却的水冷组件。

5.根据权利要求4所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述方圆过渡组件中矩形波导段的一端设置有第一端面铣台阶，所述第一端面铣台阶上焊接有方法兰，所述同心弯曲波导腔体未与第二圆波导段连接的一端设置有第二端面铣台阶，所述第二端面铣台阶上焊接有圆法兰，所述方法兰和圆法兰内均装配有用于密封的橡胶圈。

6.根据权利要求5所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述水冷组件包括位于方圆过渡组件一侧的方圆过渡水槽和位于同心弯曲波导组件一侧的同心弯曲波导水冷槽，所述方圆过渡水槽设置有进水端，所述同心弯曲波导水冷槽设置有出水端，所述方圆过渡水槽与所述同心弯曲波导水冷槽通过连接通道连通。

7.根据权利要求6所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述方圆过渡水槽为沿轴向方向开设的纵向T型水冷槽，所述方圆过渡水槽上焊接有同样为T型的第一水冷盖板，所述第一水冷盖板上开设有第一通孔，在所述第一通孔上焊接有进水接头。

8.根据权利要求7所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述同心弯曲波导水冷槽为长方形结构，并在内部沿轴向方向设置有筋板从而构成“几”字型流水槽，冷却水通过筋板由直流引导为“几”字形流动，所述同心弯曲波导水冷槽上焊接有长方形的第二水冷盖板，所述第二水冷盖板上开设有第二通孔，所述第二通孔上焊接有排水接头。

9.根据权利要求8所述的一种高功率微波低损耗稳态模式转换装置，其特征在于：所述方圆过渡组件、同心弯曲波导组件和水冷组件的材质均为铝材。

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