CN117613525A - 一种紧凑型宽带高功率微波圆波导tm01-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，公开了一种紧凑型宽带高功率微波圆波导TM01‑TE11模式转换器，主要由一段输入结构、一段分区结构、一段模式转换结构、一段反射抑制结构以及一段输出结构级联组成。输入、输出结构均为圆波导；分区结构由两个带脊的扇形波导组成，用于将波导分区；模式转换结构为带四个脊的圆波导，且下脊的高度线性降低，是实现模式转换的关键；反射抑制结构由两个扇形波导组成，其中一个扇形波导带脊，主要作用是减小反射、抑制高阶模式。通过上述器件，本发明实现了圆波导TM01‑TE11模式的高效转换，具有结构紧凑、功率容量高、工作频带宽以及输入端口和输出端口共轴的优点，能够很好地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、功率容量高、工作频带宽以及输入端口和输出端口共轴的圆波导TM01-TE11模式转换器。
背景技术
高功率微波通常是指频率在1-300GHz，峰值功率大于100MW的电磁波，在等离子体加热、军事通信、定向能武器等领域得到了广泛的应用。高功率微波技术的产生主要得益于上世纪70年代脉冲功率技术的发展，尤其是强流电子束的出现赋予了传统真空电子微波器件新的发展内容，使得利用各种束波相互作用机制产生高功率微波的设想成为现实。此后，脉冲功率源的输出功率不断提高，高功率微波技术随之得到了迅速的发展，并产生了一系列峰值功率很高的高功率微波源，从而为高功率微波的应用提供了技术可能。
然而，目前大多数的高功率微波源，主要产生圆波导TM01模式和同轴TEM模式。这些模式的电场分布和极化方向沿波导轴线具有旋转对称性，其辐射方向图呈圆环状分布，并且在视轴上的增益为零。如果直接以上述模式辐射，将导致高功率微波能量无法定向、集中地发射至目标。反之，圆波导TE11模式的辐射方向图在视轴上增益最大，能够将能量定向、集中地发射。因此，在辐射高功率微波前，需要把圆波导TM01模式或同轴TEM模式转换成圆波导TE11模式。
传统的模式转换器为双弯曲和三弯曲结构。双弯曲结构的转换效率非常高，理论上能够达到99％，但是其体积大、加工困难、输入端口和输出端口不在同一轴线上，不易于系统集成。三弯曲结构则是在双弯曲结构的基础上再增加一段弯曲圆波导，解决了输入端口和输出端口不共轴的问题，但是其它问题仍然存在。刘庆想教授和袁成卫博士则提出一种同轴插板式模式转换器(刘庆想，插板式同轴微波模式变换器，专利号ZL200410022230.4)，通过插板分区、形成相位差后再进行功率合成的思想实现了同轴TEM模式到圆波导TE11模式的转换，该器件具有端口共轴、加工容易的优点。但器件功率容量不高，只有1.0GW左右，而且长度较长，系统整体结构不够紧凑。针对上述问题，本发明在保证合适的工作带宽和较高的转换效率的前提下，设计了一款结构紧凑、功率容量高、工作频带宽以及输入端口和输出端口共轴的圆波导TM01-TE11模式转换器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是设计一款结构紧凑、功率容量高、工作频带宽以及输入端口和输出端口共轴的模式转换器，能够实现圆波导TM01模式到圆波导TE11模式的转换。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种紧凑型宽带高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器，其特征在于：主要由一段输入结构(1)、一段分区结构(2)、一段模式转换结构(3)、一段反射抑制结构(4)以及一段输出结构(5)级联组成；所述输入结构和输出结构均为圆波导；所述分区结构由两个带脊的扇形波导组成；所述模式转换结构为带四个脊的圆波导，且下脊的高度线性降低；所述反射抑制结构由两个扇形波导组成，其中一个扇形波导带脊。
进一步地，为了实现圆波导TM01模式以及圆波导TE11模式的传输，同时抑制其它高阶模式，所述输入输出结构(1、5)的圆波导的半径R需要满足条件：c/2.62f0<R<c/2.06f0，其中c为真空中光速，f0为模式转换器工作频率。
进一步地，所有脊结构的边缘均倒圆角处理。
与现有技术对比，本发明的有益效果在于：
(1)器件体积小、结构紧凑。本发明器件的轴向总长度为1.90λg，径向总长度为0.69λg，器件整体体积小，系统结构紧凑。
(2)工作频带宽、功率容量高。本发明通过波导脊结构增加了系统的工作带宽，本发明转换效率大于90％的相对带宽为11.7％；此外，可通过将脊边缘倒圆角的方式降低器件最大电场强度，从而达到提高功率容量的目的，最终本发明可以达到最高2.3GW的功率容量。
(3)本发明的输入端口和输出端口在同一轴线上，因此容易与高功率微波系统其它部件集成，进一步缩小了系统的整体尺寸。
(4)本发明通过合理设计反射抑制结构的尺寸，能够进一步减小模式转换器的反射模式以及高阶模式，从而提升模式转换的效率，大大改善器件性能。
附图说明
图1是本发明高功率微波模式转换器的侧视图、M-M和N-N剖面图及各段截面图。
图2是本发明高功率微波模式转换器在不同截面的电场模式分布。
图3是本发明高功率微波模式转换器的散射参数曲线。
图4是本发明高功率微波模式转换器的各模式的转换效率曲线。
图5是本发明高功率微波模式转换器的内部电场幅值分布。
附图标记：1-输入结构，2-分区结构，3-模式转换结构，4-反射抑制结构，5-输出结构
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，本发明设计了一种紧凑型高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器，主要由一段输入结构(1)、一段分区结构(2)、一段模式转换结构(3)、一段反射抑制结构(4)以及一段输出结构(5)级联组成；所述输入结构和输出结构均为圆波导；所述分区结构由两个带脊的扇形波导组成；所述模式转换结构为带四个脊的圆波导，且下脊的高度线性降低；所述反射抑制结构由两个扇形波导组成，其中一个扇形波导带脊。
为了实现圆波导TM01模式以及圆波导TE11模式的传输，同时抑制其它高阶模式，所述输入输出结构(1、5)的圆波导的半径R需要满足条件：c/2.62f0<R<c/2.06f0，其中c为真空中光速，f0为模式转换器工作频率。本例工作频点f0＝2.4GHz，则半径R可选取为56.0mm。
进一步地，所有脊结构的边缘均倒圆角处理，以此提高器件功率容量。
图2是本发明高功率微波模式转换器在不同截面的电场模式分布。根据图2，本发明高功率微波模式转换器的工作原理为：1)模式转换器的输入端口与高功率微波源相接，注入圆波导TM01模式；2)输入圆波导TM01模式首先在分区结构(2)中被分成两路电场方向相反的扇形TE11模式；3)接着，随着模式转换结构(3)中下脊高度的减小，这两路扇形TE11模式逐渐被耦合为圆波导TE11模式，反射抑制结构(4)主要作用是减小反射模式和抑制高阶模式，对耦合过程影响不大；4)最终输入的圆波导TM01模式被转换成圆波导TE11模式输出。
图3是本发明高功率微波模式转换器的散射参数曲线。据图可知，本发明在工作频点2.40GHz的传输系数S21为-0.13dB，反射系数S11为-17.65dB；在2.29GHz-2.57GHz频率范围内，反射系数S11均小于-10.00dB；这表明器件在工作带宽内得到了很好的匹配，能够实现高效的能量传输。
图4是本发明高功率微波模式转换器的转换效率曲线。据图可知，本发明在2.40GHz处，TE11模式的转换效率为96.9％，TM01模式的转换效率为1.7％；在2.29GHz-2.57GHz(11.7％)频率范围内，TE11模式的转换效率大于90％，而TM01模式的转换效率均小于2.0％；此外，本发明TE11模式的最大转换效率为98.1％(2.36GHz)。这表明该器件能够完成圆波导TM01模式到圆波导TE11模式的高效率转换。
图5是本发明高功率微波模式转换器内部电场幅值分布。据图可知，当输入功率Pin＝1W时，模式转换器内部最大的电场值Emax＝1036.6V/m，真空射频击穿场强Ebreakdown为50kv/cm2，根据公式Pin/Pc＝(Emax/Ebreakdown)2换算可得器件的功率容量Pc＝2.3GW。
综上所述，本发明的高功率微波模式转换器具有结构紧凑、功率容量高、工作频带宽以及输入端口和输出端口共轴的优点，能够应用于高功率微波系统中。
Claims (3)
1.一种紧凑型宽带高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器，其特征在于：主要由一段输入结构(1)、一段分区结构(2)、一段模式转换结构(3)、一段反射抑制结构(4)以及一段输出结构(5)级联组成；所述输入结构和输出结构均为圆波导；所述分区结构由两个带脊的扇形波导组成；所述模式转换结构为带四个脊的圆波导，且下脊的高度线性降低；所述反射抑制结构由两个扇形波导组成，其中一个扇形波导带脊。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型宽带高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器，其特征在于：为了实现圆波导TM01模式以及圆波导TE11模式的传输，同时抑制其它高阶模式，所述输入输出结构(1、5)圆波导的半径R需要满足条件：c/2.62f0<R<c/2.06f0，其中c为真空中光速，f0为模式转换器工作频率。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型宽带高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器，其特征在于：所有脊结构的边缘均倒圆角处理。
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