CN206947476U

CN206947476U - 圆波导模式转换器

Info

Publication number: CN206947476U
Application number: CN201720990025.XU
Authority: CN
Inventors: 梁源; 张健穹; 刘庆想; 李相强
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2027-08-08

Abstract

本实用新型涉及微波模式转换器。本实用新型公开了一种圆波导模式转换器，包括位于同一轴线上直径相等的始端圆波导和末端圆波导，所述始端圆波导和末端圆波导之间连接相同直径的转换段波导；所述转换段波导由相同直径的半圆直波导和半圆弯波导构成；所述半圆直波导与始端圆波导和末端圆波导同轴；所述半圆直波导和半圆弯波导两端对齐并与始端圆波导和末端圆波导连接，所述半圆直波导和半圆弯波导弦边在同一平板上；所述轴线位于所述平板上；所述半圆弯波导中微波传输路径相较于半圆直波导更长，使得通过半圆直波导和半圆弯波导传输的微波相位差为π。本实用新型在相同条件下有明显的功率容量优势，结构更加紧凑，能够明显减小占用空间。

Description

圆波导模式转换器

技术领域

本实用新型涉及微波模式转换器技术领域，特别是输入输出端口共轴的转换器类型，具体涉及一种圆波导模式转换器。

背景技术

模式转换器是一类常见的微波系统器件之一，微波在导行波导内的传输模式有多种多样，例如TEM模式、TE模式、TM模式，不同的传输模式有不同的特点同时配合特定的环境要求工作。高功率微波系统中很多微波源产生圆对称的TEM和TM0n(也写作TM_0n)模式，如磁绝缘线振荡器(MILO)、虚阴极振荡器(Vircator)和返波振荡器(BWO)等。这些轴对称模式直接辐射时得到的是空心波束，在轴向方向的增益是很低的，不利于波束对目标的作用。此外，一些使用传输TM01(也写作TM₀₁)模式的圆波导转换成同轴结构以便于馈电的天线，例如径向线馈电螺旋阵列天线，需要将圆波导TE11(也写作TE₁₁)模式转换成TM01模式。这说明，圆波导TE11-TM01模式转换器是一种应用广泛的器件，其设计的好坏将明显影响微波系统的工作。

对所涉及两种模式互相转换的转换器有多种形式的转换方法，这种器件在指标方面一般比较注重其匹配性，损耗，转换率等，受特定的应用条件限制时还对外形结构、大小、功率容量有要求。两种模式各自的特点以及转换规律对转换器的结构有很大影响，按照输入输出端口是否共轴的分类，非共轴分类下常见的为弯曲波导形式的，波导理论中的模式耦合理论对这种方式的转换设计有很强的指导作用，由于结构简单且全部为金属结构，所以这类转换方式有很高的功率容量，缺点是将会占用大量的侧向空间，无法做到紧凑，并且使得输出端口的位置也要由转换器的位置决定[Shiwen Yang and Hongfu Li,"Optimization of novel high-power millimeter-wave TM01-TE 11mode converters,"in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.45,no.4,pp.552-554,Apr 1997.]、[B.M.Lee,W.S.Lee,Y.J.Yoon and J.H.So,"X-band TM01-TE11modeconverter with short length for high power,"in Electronic Letters,vol.40,no.18,pp.1126-1127,2Sept.2004.]。

而共轴分类下的做法为将圆波导转换为其它形式的波导再处理，例如分成两个对称的半圆区域，再改变其中一个的传播常数。王冬等人在圆波导内置入同轴转换区再分成两个区域，利用光子晶体结构对其中的一个区域改变其输出相位180°，转换区后合成为圆波导完成模式 TE11-TM01的转换。受限于光子晶体的结构，这种结构下的转换率带宽指标以及功率容量都不是太理想。[王冬,徐莎,曹延伟,秦奋.光子晶体高功率微波模式转换器设计[J].物理学报, 2014,(01)：374-379.]

使用介质填充来改变传播常数也是一种对微波传输的基本做法，然而这种做法一般来说，由于存在不同介电常数介质分界面的微波反射、介质损耗较大等问题，被限制用于一些指标要求不高的场合。A.Chittora研究了一种与波导轴线方向平行放置介质的方法，同样是属于将圆波导分成两个半圆波导并改变其中一个的传播常数，一定程度上优化了一些使用介质的改变传播常数的问题，但带宽与击穿阈值较小。[A.Chittora,S.Singh,A.Sharma and J.Mukherjee, "A Novel TM01to TE11Mode Converter Designed WithRadially Loaded Dielectric Slabs,"in IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,vol.64,no.4,pp.1170-1175,April 2016.]

袁成卫描述了一种轴向长度非常短转换方法，把圆波导转换为一个双层非对称径向波导，根据每侧的传输路径不同来控制各路的相位。由于该转换器属于全金属结构，具有良好的高功率容量设计基础，只是径向线的转换属于较强的结构突变以及过于狭隘的传输通道限制了这一优势，使得最终的功率容量并不算十分理想，同时其也不适用于在某些不能大幅占用横向空间的场合。[袁成卫,钟辉煌,张建德,钱宝良.紧凑型圆极化模式转换器[J].强激光与粒子束,2009,(03):411-415.]

R.L.Eisenhart使用的方法是将引入同轴的过渡，在转换过程中控制传输的口径，将内导体与矩形波导壁连接后消失，那么由垂直于内导体的电场将渐变为垂直于矩形波导的电场，即 TE10模式，最后将矩形波导过渡到圆波导到便获得模式的转换，其中的转换过程为 TM01-TEM-TE10-TE11，相应的波导为圆波导-同轴波导-矩形波导-圆波导。虽然其中是全金属结构，但是功率容量在同轴波导向矩形波导转换的位置出现了金属缝隙，场强增加而限制了功率容量。[R.L.Eisenhart,"A novel wideband TM01-to-TE11modeconverter,"1998IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest(Cat.No.98CH36192),Baltimore,MD,USA, 1998,pp.249-252vol.1.]

由此可见，非共轴式圆波导TE11-TM01模式转换器占用空间大，不利于产品的小型化；而共轴式模式转换器则由于实现方式上的问题使得功率容量指标与前者有较大差距。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种输入和输出端口共轴的圆波导TE11-TM01模式转换器，提高模式转换器功率容量和频带宽，降低损耗。

为了实现上述目的，根据本实用新型具体实施方式的一个方面，提供了一种圆波导模式转换器，包括位于同一轴线上直径相等的始端圆波导和末端圆波导，所述始端圆波导和末端圆波导之间连接相同直径的转换段波导；其特征在于：所述转换段波导由相同直径的半圆直波导和半圆弯波导构成；所述半圆直波导与始端圆波导和末端圆波导同轴；所述半圆直波导和半圆弯波导两端对齐并与始端圆波导和末端圆波导连接，所述半圆直波导和半圆弯波导弦边在同一平板上；所述轴线位于所述平板上；所述半圆弯波导中微波传输路径相较于半圆直波导更长，使得通过半圆直波导和半圆弯波导传输的微波相位差为π。

进一步的：所述平板长度小于半圆直波导的长度。

进一步的：所述末端圆波导上设置有销钉，所述销钉位于所述轴线上并贯穿末端圆波导。

进一步的：所述销钉与所述平板垂直。

进一步的：所述圆波导转换器置于保护壳中。

进一步的：所述保护壳与平板相连。

进一步的：所述圆波导转换器由金属件构成。

进一步的：所述圆波导转换器腔体内为真空或填充空气介质。

进一步的：所述圆波导转换器为TE11-TM01模式转换器或TM01-TE11模式转换器。

具体的：所述半圆弯波导包括第一弯曲段、第二弯曲段、直段、第三弯曲段和第四弯曲段；所述第一弯曲段与始端圆波导连接，弯曲θ₁后与第二弯曲段连接，所述第二弯曲段向相反方向弯曲θ₂后与直段连接，所述直段与第三弯曲段连接，所述第三弯曲段与第四弯曲段连接，所述第四弯曲段与末端圆波导连接；所述第二弯曲段与第三弯曲段形状相同，放置方向相反；所述第一弯曲段与第四弯曲段形状相同，放置方向相反；其中，0＜θ₁＜π，0＜θ₂＜π。

本实用新型的有益效果是：针对输入输出端口共轴的TE11-TM01模式转换器，本实用新型在相同条件下有明显的功率容量优势。而针对输入输出端口非共轴的同类转换器，本实用新型结构更加紧凑，能够明显减小占用空间。进一步的，本实用新型中销钉的加入对调节器件整体的匹配有正面作用，提高了带宽和转换率；全金属部件设计减小了损耗。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为圆波导结构示意图；

图2为半圆波导结构示意图；

图3是实施例1的圆波导模式转换器结构示意图；

图4是图3的右视图；

图5是图3的后视图；

图6是图3的俯视图；

图7是实施例2的结构尺寸示意图；

图8是图7的右视图；

图9是实施例2的平板结构尺寸示意图；

图10是图9的右视图；

图11是实施例2的销钉结构尺寸示意图；

图12是实施例2的圆波导模式转换器传输曲线仿真结果示意图。

其中：

4 为平板；

5 为销钉；

7 为保护壳；

10 为始端圆波导；

20 为末端圆波导；

30 为转换段波导；

31 为半圆直波导；

32 为半圆弯波导；

100 为半圆波导的弧边；

200 为半圆波导的弦边；

321 为第一弯曲段；

322 为第二弯曲段；

323 为直段；

324 为第三弯曲段；

325 为第四弯曲段。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型具体实施方式、实施例中的附图，对本实用新型具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的具体实施方式、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他实施方式、实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

波导是一种微波传输线，最普通的波导形式是一根金属管子，截面通常为规则的几何形状，如圆形、矩形等。本实用新型涉及的两种波导：圆波导和半圆波导，结构如图1和图2 所示。圆波导的截面形状为圆形，参见图1。半圆波导截面形状为半圆形，由弧边100和弦边200两端相接构成，如图2所示。圆波导和半圆波导一般采用导电材料，如金属材料(铝、铜、钢材等)制成。根据微波传输的特点，圆波导和半圆波导的特性主要由其直径决定，与材料厚度无关，波导长度代表了微波传输的距离。除了直线型波导外，还有各种弯曲形状的波导，分别称为直波导和弯波导。弯波导的弯曲角度、转弯半径、弯曲形状等都可能改变微波传输方向、路径等参数，从而改变微波传播常数，据此可以设计出各种延迟线、耦合器、振荡器等功能部件。

本文对波导中传输的TE11模式微波和TM01模式微波，有时也简称为TE11波和TM01波。

实施例1

本例圆波导模式转换器结构图3、图4、图5和图6所示。当TE11波从始端圆波导10进入转换器，末端圆波导出来的是TM01波。反之，当TM01波从末端圆波导20进入转换器，始端圆波导10出来的则是TE11波。也就是说，本例圆波导转换器既可以是TE11-TM01模式转换器，也可以是TM01-TE11模式转换器，能够完成TM01和TE11的相互转换。

本例圆波导模式转换器结构，包括位于同一轴线上直径相等的始端圆波导10和末端圆波导20，以及始端圆波导和末端圆波导之间连接的相同直径的转换段波导30。参见图3、图5 和图6，其中线段i和j之间的部分就是转换段波导30。

本例转换段波导30由直径相同的半圆直波导31和半圆弯波导32构成并排构成，如图4 所示。半圆直波导31与始端圆波导10和末端圆波导20同轴，如图5、图6中OP所示。半圆直波导31和半圆弯波导32两端对齐并连接始端圆波导10和末端圆波导20，连接处为图3、图5和图6中的i、j处。半圆直波导31和半圆弯波导32的弦边都在平板4上，参见图4。半圆直波导31、始端圆波导10和末端圆波导20的共同轴线OP位于平板4上，如图5、图6 所示。由于半圆弯波导32中微波传输路径蜿蜒曲折，微波传输路径相较于半圆直波导31更长，使得通过半圆直波导31和半圆弯波导32传输的微波相位差为π。

如图3所示，本例半圆弯波导32蜿蜒成S型，图3中用虚线划分成五段：第一弯曲段321、第二弯曲段322、直段323、第三弯曲324段和第四弯曲段325。

本例半圆弯波导32第一弯曲段321与始端圆波导10连接，图3中虚线i即为接口位置，由图5可见，半圆直波导31与始端圆波导10接口位置也在虚线i处。如图3所示，第一弯曲段321向上弯曲θ₁后与第二弯曲段322连接，第二弯曲段322向下弯曲θ₂后与直段323连接，直段323与第三弯曲段324连接，第三弯曲段324向上弯曲θ₂后与第四弯曲段325连接，第四弯曲段325向下弯曲θ₁后与末端圆波导20连接于虚线j处。同样的，半圆直波导31与末端圆波导20的连接位置也在虚线j处，如图5所示。由图3可以看出，本例半圆弯波导32 中，第一弯曲段321与第四弯曲段325形状相同，放置方向相反，第二弯曲段322与第三弯曲段324形状相同，放置方向相反。本例中弯曲角度θ₁和θ₂范围为：0＜θ₁＜π，0＜θ₂＜π，并且2θ₁＝θ₂。本例第一弯曲段321、第二弯曲段322、第三弯曲324段和第四弯曲段325转弯半径相同。

本例转换器半圆弯波导这种弯曲形状和结构，有利于降低转换器体积，提高空间利用率。本例转换器可以通过调整弯曲角度θ₁和θ₂取值，以及转弯半径，可以非常方便的控制微波相位，保证半圆直波导31和半圆弯波导32传输的微波相位差为π。由图3、图4、图5和图6 可以看出，本例模式转换器这种结构具有很多相同的结构参数，如转弯半径以及形状等，大大降低了模具的复杂性，非常有利于降低生产成本和保证加工角度。迂回曲折的S型弯曲形状，大大降低了模式转换器占用的空间，产品结构更加紧凑小巧。

由图6可见，本例平板4长度小于半圆直波导31的长度，也就是转换段波导30中的平板4并没有接触始端圆波导10和末端圆波导20，其间分别有一段长度为d3的距离。距离d3虽然非常小，但在微波进入转换段波导30分成两路，以及微波离开转换段波导30合成一路时，都有了一段微小的过渡段。有利于降低平板4端部对微波传输产生的影响，有利于降低微波反射和传输损耗。

为了提高带宽和转换率，同时也有利于转换器整体匹配，本例在末端圆波导20上设置有销钉5，本例销钉5位于轴线OP上并贯穿末端圆波导20，而且销钉5与平板4垂直。这种配置结构，可以显著提高销钉的介入作用，提高匹配效果，如图3和图5所示。

本例转换器可以通过调整销钉5的直径以及距离转换段30的距离，非常方便的调整转换器参数，以便获得较佳的性能。

本例转换器，根据两种微波模式转换中要求改变传播常数的特点，将圆波导平分为两个半圆波导，对其中一个半圆波导进行处理，人为地延迟其相位。设计中全部使用金属部件，并力求结构变化上平缓、紧凑以提高性能与契合广泛的应用需求。

本例转换器工作原理是：始端圆波导输入TE11模式后，转换段波导30中，平板4将圆波导平均切分成两个半圆波导——半圆直波导31和半圆弯波导32。半圆直波导31中微波传输方向不变，半圆弯波导32蜿蜒向前呈“S”型。基于对称设计，半圆弯波导32末端指向轴线与始端圆波导轴线重合。在这个过程中，半圆弯波导32相对半圆直波导31由于在达到末端圆波导时延伸了更长的距离，通过调整半圆弯波导的结构参数相位差是可以被调节的，当相位差为180°时，就实现了模式转换。最后，两半圆波导重新合成为一个圆波导——末端圆波导20。由于在垂直于平板4、轴线OP的方向加入了销钉，可以用于调节匹配。该模式转换器是可逆的，所以反向输入TM01模式微波可以得到TE11模式微波，实现TM01模式微波和TE11模式微波的相互转换。

实施例2

参见图7～图11，本例转换器置于保护壳7中，有利于提高转换器结构强度，也便于加工制作。本实用新型对于保护壳的形状并没有要求，图中示出的保护壳为矩形结构仅仅是一种便于加工的示例。为了便于加工，本例保护壳7由两个结构形状相同的壳体对扣构成，如图8所示。

本例转换器工作频率为12.67GHz，图7～图11中标注的尺寸如表1所示，其中：θ₁为第一弯曲段弯曲角度；θ₂为第二弯曲段弯曲角度；θ₃为第三弯曲段弯曲角度；θ₄为第四弯曲段弯曲角度；d₁为直段长度；d₂为销钉与转换段的距离；d₃为始端圆波导或末端圆波导与平板的距离；d₄为平板宽度；d₅为平板长度；d₆为销钉长度，也就是末端圆波导的直径；D₁为销钉直径；R₁为半圆弯波导各弯曲段的外弧半径；R₂为半圆弯波导各弯曲段的内弧半径；R₃为始端圆波导的半径，也是本例末端圆波导、半圆直波导和半圆弯波导的半径；t为平板厚度。

本例平板4宽度延伸到与保护壳相连，可以进一步增强转换器的稳定性。

本例圆波导转换器全部采用金属件构成。

本例圆波导转换器腔体为真空(无介质填充)，能够进一步降低微波传输损耗。

本例这种全金属结构的无介质转换器，有利于降低损耗和成本，降低转换器结构的复杂性。

本例转换器其他结构参见实施例1的描述。

本例转换器对应S参数仿真结果如图12所示，表明：

在12.1GHz至13.5GHz频带内，该转换器转换效率超过95％，该指标下的相对带宽达到 11％。在设计的工作频率12.67GHz下，模式转换率为99.3％。本例转换器场强分布仿真结果显示，在转换段30前后，位于上半部分的弯曲半圆波导32中的微波相位滞后了180°。最大场强是3776V/m，假设在输入功率0.5W，同时使用空气中的击穿阈值时，功率容量P计算结果为：

表1

参数

θ₁

θ₂

θ₃

θ₄

d₁

d₂

d₃

d₄

值

50°

100°

50°

14.9mm

6.5mm

1.57mm

48.5mm

参数

d₅

d₆

D₁

R₁

R₂

R₃

t

值

80mm

21.6mm

2mm

26.8mm

5.2mm

10.8mm

1.4mm

本实用新型的模式转换器，可以根据不同的工作频率，通过合理选择表1中的各个尺寸参数的数字，实现半圆直波导和半圆弯波导传输的微波相位差为π，满足模式转换器的设计要求。毫无疑问，采用其他弯曲形状也可以使得半圆直波导和半圆弯波导传输的微波相位差为π。

Claims

1.圆波导模式转换器，包括位于同一轴线上直径相等的始端圆波导和末端圆波导，所述始端圆波导和末端圆波导之间连接相同直径的转换段波导；其特征在于：所述转换段波导由相同直径的半圆直波导和半圆弯波导构成；所述半圆直波导与始端圆波导和末端圆波导同轴；所述半圆直波导和半圆弯波导两端对齐并与始端圆波导和末端圆波导连接，所述半圆直波导和半圆弯波导弦边在同一平板上；所述轴线位于所述平板上；所述半圆弯波导中微波传输路径相较于半圆直波导更长，使得通过半圆直波导和半圆弯波导传输的微波相位差为π。

2.根据权利要求1所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述平板长度小于半圆直波导的长度。

3.根据权利要求1所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述末端圆波导上设置有销钉，所述销钉位于所述轴线上并贯穿末端圆波导。

4.根据权利要求3所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述销钉与所述平板垂直。

5.根据权利要求1所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述圆波导转换器置于保护壳中。

6.根据权利要求5所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述保护壳与平板相连。

7.根据权利要求1所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述圆波导转换器由金属件构成。

8.根据权利要求7所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述圆波导转换器腔体内为真空或填充空气介质。

9.根据权利要求1所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述圆波导转换器为TE11-TM01模式转换器或TM01-TE11模式转换器。

10.根据上述任意一项权利要求所述的圆波导模式转换器，其特征在于：所述半圆弯波导包括第一弯曲段、第二弯曲段、直段、第三弯曲段和第四弯曲段；所述第一弯曲段与始端圆波导连接，弯曲θ₁后与第二弯曲段连接，所述第二弯曲段向相反方向弯曲θ₂后与直段连接，所述直段与第三弯曲段连接，所述第三弯曲段与第四弯曲段连接，所述第四弯曲段与末端圆波导连接；所述第二弯曲段与第三弯曲段形状相同，放置方向相反；所述第一弯曲段与第四弯曲段形状相同，放置方向相反；其中，0＜θ₁＜π，0＜θ₂＜π。