CN206961985U - 一种Ka波段圆波导TE01模式激励器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，由正交波导、矩形阶梯波导、均匀方波导、骨形阶梯波导和均匀圆波导组成。正交波导的一个端口形成模式激励器的输入端口；正交波导的另一端口与矩形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，矩形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀方波导的一个端口连接；均匀方波导的另一个端口与骨形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，骨形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀圆波导的一个端口连接，均匀圆波导的另一个端口形成模式激励器的输出端口。本实用新型具有高转换效率，高模式纯度，结构紧凑、易于加工和宽频带的特点。

Description

一种Ka波段圆波导TE01模式激励器

技术领域

本实用新型涉及模式激励器技术领域，具体涉及一种Ka波段圆波导TE01模式激励器。

背景技术

根据圆波导TE01模式(模式)的场结构分布可知，它具有以下几个特点：(1)是轴对称模，不存在极化简并模；(2)传输损耗低，且随频率提高，损耗反而下降；(3)具有较少的模式竞争数，可以简化模式转化过程。由于以上特性，模式在高功率微波器件中得到了广泛的应用。其中，模式就被作为部分回旋管的工作模式。由于回旋管腔体输出的工作模式不能被直接使用，因此无法对系统的性能进行冷测，比如对谐振腔的Q值和频率，以及输入窗和输出窗传输反射特性的测试等，所以往往需要特定的模式激励器来模拟回旋管的工作模式，从而可以对此高频系统进行测试。如今各种特定的模式激励器得到国内外广泛的研究。

模式激励器进行实验测试时，要求高模式转换效率、高模式纯度、结构紧凑、易加工和宽频带。目前，模式激励器有扇形模式激励器、侧壁耦合模式激励器、十字交叉模式激励器和H面弯曲模式激励器等。在“《Journal of Infrared,Millimeter,and TerahertzWaves》，2005年，第26卷第19期，1407-1415页”所公布的扇形模式激励器，该结构转换效率偏低，杂模较多，结构复杂，难以实现，一般采用电铸的方法制作，制作成本也高。在“《大众科技》，2013年，第15卷162期，1-3页”所公布的侧壁耦合模式激励器，虽然其结构紧凑性好，转换效率高和频带宽，但是由于应用了功分网络，对工艺水平要求很高。在“《真空科学与技术学报》，2013年，第33卷第4期，309-314页”中公布的十字交叉模式激励器是把矩形波导中的TE₁₀模逐步转变为圆波导的TE₀₁模，虽说工作频带宽，转换效率高，输出的模式纯度高，但模型体积较大，且以电镀的方式进行加工，所以造价昂贵。在“《强激光与粒子束》，2014年，第26卷第6期，114-118页”中所提到的H面弯曲模式激励器，该模式激励器的纯度在98％以上且转换效率在95％以上的相对带宽可达4.2GHz,该结构具有紧凑性好，转换效率和纯度都较高，频带较宽等优点，但是在一般情形下，当圆波导的横截面具有椭圆小变形时，一种圆波导波型将分裂为两个波型，所以对于椭圆波导加工，精度要求较高。

实用新型内容

针对现有模式激励器无法同时满足高转换效率和易于加工要求的问题，提供一种Ka波段圆波导TE01模式激励器。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，该模式激励器由以下5个部分组成：

第一部分即正交波导由2个矩形波导所组成；这2个矩形波导包括1个前后贯通的标准矩形波导和1个过模矩形波导；过模矩形波导的一个端口开设在其宽侧面上，另一个端口开设在其后端面上；标准矩形波导垂直立设在过模矩形波导的侧宽面上，且标准矩形波导的一个端口与过模矩形波导的侧宽面上的端口相接；

第二部分即矩形阶梯波导由4个矩形波导所组成；这4个矩形波导均为前后贯通的标准矩形波导；这4个矩形波导的尺寸逐渐变化，且端口首尾相接成阶梯形；

第三部分即均匀方波导由1个矩形波导所组成；该矩形波导为前后贯通的标准矩形波导；

第四部分即骨形阶梯波导由9个骨形波导所组成；这9个骨形波导前后贯通；这9个骨形波导的尺寸逐渐变化，且端口首尾相接成阶梯形；

第五部分即均匀圆波导由1个圆形波导所组成；该圆形波导为前后贯通的标准圆形波导；该圆形波导内置有销钉；

正交波导的一个端口形成模式激励器的输入端口；正交波导的另一端口与矩形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，矩形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀方波导的一个端口连接；均匀方波导的另一个端口与骨形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，骨形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀圆波导的一个端口连接，均匀圆波导的另一个端口形成模式激励器的输出端口。

上述方案中，正交波导的标准矩形波导的另一个端口形成模式激励器的输入端口，过模矩形波导的另一个端口与矩形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接。

上述方案中，正交波导的过模矩形波导的前端面封闭，且与窄侧面形成倒角。

上述方案中，正交波导的标准矩形波导的中轴线与过模矩形波导的中轴线相交。

上述方案中，矩形阶梯波导的4个矩形波导的侧面的四角形成倒角。

上述方案中，矩形阶梯波导的4个矩形波导的长度均是1/4波长。

上述方案中，均匀方波导的矩形波导的侧面的四角形成倒角。

上述方案中，骨形阶梯波导的9个骨形波导的长度均是1/4波长。

上述方案中，均匀圆波导的圆形波导内置有4根销钉；这4根销钉的一端镶嵌于均匀圆波导的内壁上，另一端指向圆形波导的中轴线；这4根销钉关于圆形波导的中轴线呈中心对称设置。

上述方案中，4根销钉均偏离对称面45度。

与现有技术相比，本实用新型具有高转换效率，高模式纯度，结构紧凑、易于加工和宽频带的特点。

附图说明

图1是一种Ka波段圆波导TE01模式激励器的立体剖视示意图。

图2是波导体的简化示意图。

图3是波导体的爆炸示意图。

图4是骨形波导的横截面图。

图5是一种Ka波段圆波导TE01模式激励器的转换效率图。

图6是一种Ka波段圆波导TE01模式激励器的模式纯度图。

图7是一种Ka波段圆波导TE01模式激励器的回波损耗图。

具体实施方式

一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，如图1-3所示，该模式激励器由5个部分组成：第一部分即正交波导，第二部分即矩形阶梯波导，第三部分即均匀方波导，第四部分即骨形阶梯波导和第五部分即均匀圆波导。

第一部分即正交波导由2个矩形波导所组成。这2个矩形波导包括1个前后贯通的标准矩形波导和1个过模矩形波导1-2。过模矩形波导1-2的一个端口开设在其侧宽面上，另一个端口开设在其后端面上。标准矩形波导垂直设置在过模矩形波导1-2的宽侧面上，正交波导的标准矩形波导的中轴线与过模矩形波导1-2的中轴线相交。标准矩形波导的一个端口与过模矩形波导1-2的侧宽面上的端口相接。标准矩形波导的另一个端口形成正交波导的一个端口，过模矩形波导1-2的另一个端口形成正交波导的另一个端口。正交波导的过模矩形波导1-2的前端面封闭，且与窄侧面形成倒角。为保证紧凑性，该过模矩形的长度为1-2个波长。

第二部分即矩形阶梯波导由4个矩形波导2-1～2-4所组成。这4个矩形波导2-1～2-4均为前后贯通的标准矩形波导，且这4个矩形波导2-1～2-4的侧面的四角形成倒角。这4个矩形波导2-1～2-4的尺寸逐渐变化，且端口首尾相接成阶梯形。这4个矩形阶梯波导2-1～2-4的每段长度均是1/4波长，这样一方面可以实现阻抗匹配，一方面可以减小加工的难度和实现结构紧凑。

第三部分即均匀方波导由1个矩形波导3-1所组成。该矩形波导3-1为前后贯通的标准矩形波导，该矩形波导3-1的侧面的四角形成倒角。为保证紧凑性，该矩形波导3-1的长度为1-2个波长。

第四部分即骨形阶梯波导由9个骨形波导4-1～4-9所组成。这9个骨形波导4-1～4-9前后贯通。这9个骨形波导4-1～4-9尺寸逐渐变化，且端口首尾相接成阶梯形。这9个骨形波导4-1～4-9的每段长度均是1/4波长，这样一方面可以实现阻抗匹配，一方面可以减小加工的难度和实现结构紧凑。图4为每个骨形波导4-1～4-9的剖视图，其中a4是骨形波导波峰距，b4是骨形波导波谷距，r4是倒角半径。

第五部分即均匀圆波导由1个圆形波导5-1所组成。该圆形波导5-1为前后贯通的标准圆形波导5-1。为保证紧凑性，该圆形波导5-1的长度为1-2个波长。该圆形波导5-1内置有4根销钉5-2。这4根销钉5-2的一端镶嵌于均匀圆波导的内壁上，另一端指向圆形波导5-1的中轴线；这4根销钉5-2关于圆形波导5-1的中轴线呈中心对称设置，且4根销钉5-2均偏离对称面45度。销钉5-2的长度是圆形波导5-1内半径的54.6％。

正交波导的一个端口即标准矩形波导1-1的另一个端口形成模式激励器的输入端口。正交波导的另一端口即过模矩形波导1-2的另一个端口与矩形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，矩形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀方波导的一个端口连接。均匀方波导的另一个端口与骨形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，骨形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀圆波导的一个端口连接，均匀圆波导的另一个端口形成模式激励器的输出端口。

该模式激励器的模式转换过程为其中的过程由第一部分即正交波导中完成，当从标准波导口传输到过模波导的连接处时，对称的过模波导相当于电墙，能促使激励的同时也抑制了的传播，且模式纯度非常高。通过调整过模波导的宽边和窄边的大小，可以优化转换的性能；对过模波导的一端两角进行倒角处理，可以减小回波损耗。其中 的过程在第四部分即骨形阶梯波导完成，此部分是利用模和模的电力线分布特征设计出的结构，通过有规则的阶梯骨形波导，引导模逐步渐变成模，可以利用仿真软件对骨形波导进行优化，实现高转换。在激励出的同时，会带有少部分的杂模生成，为了提高输出模式的纯度，抑制杂模的输出是重要的，第五部分内置4根排列规则销钉5-2的目的就是这个。根据的电力线的分布特性以及电力线边界条件，在电力线分布密集的地方插入销钉5-2或者挡片就可以规避该模式的形成，从而抑制该模式的传输。

图5-7分别是该模式激励器的转换效率、模式纯度和回波损耗图。从图5中可看出，该结构由模激励出的模的转换效率在31.75～37.28GHz内大于96％，带宽达到5.53GHz，从图6中可看出，输出模式纯度在31.91～37.19GHz内大于98％,带宽达到5.28GHz，从图7中看出，当输出模式主要的杂模为时，回波损耗在31.63～37.57GHz内小于-15dB。

本实用新型提供了一种既能满足高转换效率和高模式纯度的要求，又能满足一定频带宽度且易加工的紧凑性模式激励器。

Claims (10)

1.一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，该模式激励器由以下5个部分组成：

第一部分即正交波导由2个矩形波导所组成；这2个矩形波导包括1个前后贯通的标准矩形波导(1-1)和1个过模矩形波导(1-2)；过模矩形波导(1-2)的一个端口开设在其宽侧面上，另一个端口开设在其后端面上；标准矩形波导(1-1)垂直立设在过模矩形波导(1-2)的侧宽面上，且标准矩形波导(1-1)的一个端口与过模矩形波导(1-2)的侧宽面上的端口相接；

第二部分即矩形阶梯波导由4个矩形波导(2-1～2-4)所组成；这4个矩形波导(2-1～2-4)均为前后贯通的标准矩形波导；这4个矩形波导(2-1～2-4)的尺寸逐渐变化，且端口首尾相接成阶梯形；

第三部分即均匀方波导由1个矩形波导(3-1)所组成；该矩形波导(3-1)为前后贯通的标准矩形波导；

第四部分即骨形阶梯波导由9个骨形波导(4-1～4-9)所组成；这9个骨形波导(4-1～4-9)前后贯通；这9个骨形波导(4-1～4-9)的尺寸逐渐变化，且端口首尾相接成阶梯形；

第五部分即均匀圆波导由1个圆形波导(5-1)所组成；该圆形波导(5-1)为前后贯通的标准圆形波导(5-1)；该圆形波导(5-1)内置有销钉(5-2)；

正交波导的一个端口形成模式激励器的输入端口；正交波导的另一端口与矩形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，矩形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀方波导的一个端口连接；均匀方波导的另一个端口与骨形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接，骨形阶梯波导的尺寸偏大的端口与均匀圆波导的一个端口连接，均匀圆波导的另一个端口形成模式激励器的输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，正交波导的标准矩形波导(1-1)的另一个端口形成模式激励器的输入端口，过模矩形波导(1-2)的另一个端口与矩形阶梯波导的尺寸偏小的端口连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，正交波导的过模矩形波导(1-2)的前端面封闭，且与窄侧面形成倒角(1-3)。

4.根据权利要求1或2所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，正交波导的标准矩形波导(1-1)的中轴线与过模矩形波导(1-2) 的中轴线相交。

5.根据权利要求1所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，矩形阶梯波导的4个矩形波导(2-1～2-4)的侧面的四角均为倒角。

6.根据权利要求1或5所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，矩形阶梯波导的4个矩形波导(2-1～2-4)的长度均是1/4波长。

7.根据权利要求1所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，均匀方波导的矩形波导(3-1)的侧面的四角均为倒角。

8.根据权利要求1所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，骨形阶梯波导的9个骨形波导(4-1～4-9)的长度均是1/4波长。

9.根据权利要求1所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，均匀圆波导的圆形波导(5-1)内置有4根销钉(5-2)；这4根销钉(5-2)的一端镶嵌于均匀圆波导的内壁上，另一端指向圆形波导(5-1)的中轴线；这4根销钉(5-2)关于圆形波导(5-1)的中轴线呈中心对称设置。

10.根据权利要求9所述的一种Ka波段圆波导TE01模式激励器，其特征是，4根销钉(5-2)均偏离对称面45度。