一種改進型的毫米波TE10‑TE01波模式轉換方法與流程

2023-05-03 07:10:57 3

本發明涉及微波毫米波技術領域，特別涉及毫米波固態功率合成技術和高功率傳輸領域。

背景技術：

圓波導中存在多種傳輸模式，其中te11模、te01模和tm01模是最為常用的三種模式。在這當中，te11模是圓波導的最低模式，由於容易發生極化簡併，所以一般不用於作為傳輸模式，但利用其極化簡併現象，可製成微波器件如極化衰減器、極化變換器等；tm01波的特點則是電場呈輻射狀軸對稱，壁面電流只有縱向分量，可用於做天饋系統中的旋轉關節或直線電子加速器中的諧振腔；te01波的場分布具有軸對稱性，當把它用作徑向功率合成網絡中圓波導的工作模式時，能夠使得多路等功率輸出和相位相同。同時由於te01模的電力線是分布在圓波導橫截面內的閉合曲線，在管壁附近只有hz分量，因此在波導壁上只有沿圓周方向的表面電流，沒有縱向電流，在傳輸功率不變時，te01波型的衰減常數隨頻率的升高而降低，這一特性使得te01模十分適合用作毫米波遠距離傳輸以及用作高q值諧振腔的工作模式。但te01不是最低次模，所以採用te01模必須設法抑制其他模式的寄生。另外，由於在實驗室測試儀器的接口都是同軸線和矩形波導結構，由於測試的不方便性，圓波導一般都不會直接作為輸入輸出接口。所以依據設計要求，一般需要將圓波導口轉換為標準矩形波導接口，即在圓波導信號的輸入前端添加矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器，使得矩形波導的te10模能夠轉換為圓波導中te01模。綜上，研製性能優良的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器至關重要。

一般通用的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器主要有marine型模式轉換器和花瓣型模式轉換器。marine型模式轉換器是基於模式漸變原理設計的，通過使用變形的波導結構，把波逐步轉換為需要的模式。marine型模式轉換器的工作頻帶較寬，電路的損耗不大，但這種模式轉換器所需的傳輸長度通常較長，且其結構多處有很大的形變，很難能夠建立好其模型。而且marine型模式轉換器所需的加工要求高，加工的成本高，加工時間很久。

花瓣型模式轉換器由兩部分組成：一是輸入功分器部分。輸入的矩形波導te10模經過級聯的兩級e-t功分器後把輸入信號分成四等份，這四路信號在從圓波導側壁注入時沿圓周方向依次相距90度變化。二是波導模式變換部分。利用四路十字正交的矩形波導te10波激勵來得到圓波導的te01模，從而實現矩形波導te10模轉換為圓波導te01模的目的，這種轉換器在實現高轉換效率和寬頻帶的同時，能保證較低的損耗，且其結構簡單緊湊，易於加工實現。但由於圓波導te01模是圓波導中的第五高次模，在傳統花瓣型模式轉換器中，對圓波導中低次模式的抑制度不夠，激勵起的圓波導中te01模式不純，導致系統工作不穩定。

本發明提出了一種新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器。該模式轉換器在傳統花瓣型模式轉換器的基礎上，沿矩形波導窄邊中心插入4片平行於相應矩形波導h面的金屬膜片，在把矩形波導te10模轉換為圓波導te01模的同時，能很好地抑制圓波導中多個低次模的傳輸，提高了系統工作的穩定性，其矩形波導te10-圓波導te01模式的轉換效率也得到了一定提高，具有很好的應用前景。

技術實現要素：

鑑於現有技術上的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種適用於多種微波毫米波系統的，能工作在較寬的頻帶範圍內的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器。

本發明整體模型如圖1所示，圖2為模式變換器細節圖。如圖1所示，本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器其作為輸入的一分四路e-t功分器和傳統花瓣型模式轉換器的一分四路e-t功分器相差無幾，其主要改進在第二部分，即模式變換部分。如圖2所示，改進的模式變換部分其構架主要包括：側壁開孔且一端短路的圓波導；位於圓波導短路面中心的匹配圓臺；4路減高波導輸入；連接減高波導到圓波導側壁的矩形波導漸變過渡段；以圓波導軸心為軸徑向對稱，沿矩形波導窄邊中心插入的平行於矩形波導h面的4片金屬膜片。由矩形波導口饋入的te10模信號經本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器後，將由圓波導埠合成輸出高純度的圓波導te01模。

在本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器(如圖1和圖2所示)中，4路減高波導尺寸大小完全相同，其寬邊保持不變，窄邊高度採用線性漸變到與圓波導側壁連接處波導口高度。4路輸入矩形波導沿圓波導外圍徑向排列，空間上呈十字正交形，矩形波導e面與圓波導軸向相互垂直。

在本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器中，按軸對稱徑向排列的4片金屬膜片(如圖3)具有相同的結構和尺寸，每片都與對應的輸入矩形波導h面平行，且位於矩形波導窄邊中心位置。金屬膜片一端伸向矩形波導內部，其高度與矩形波導寬邊a一致，其伸入矩形波導內的長度l可通過電磁場仿真優化得到；另一端伸向圓波導內部，與匹配圓臺銜接。伸向圓波導內的金屬膜片下端與圓波導短路面相連，上端與波導上臂齊平。

在本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器中，4路輸入矩形波導e面與圓波導軸向相互垂直，在空間上呈十字正交形，矩形波導工作於te10模式，圓波導工作於te01模式。4路輸入矩形波導的底面到圓波導短路面的距離為dh可通過電磁場仿真優化得到。

在本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器中，位於圓波導短路面中心的圓臺用以實現矩形波導到圓波導口的良好匹配，該匹配圓臺的半徑rm和高度hm可通過電磁場仿真優化得到。

本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器中，其特點是：1.插入損耗小；2.高功率容量，通常金屬波導的功率容量高於其他集成傳輸線，且圓波導te01模式具有極高功率容量特性；3.圓波導中te01模純度高，系統工作穩定；4.其結構簡單緊湊，易於加工實現。

附圖說明

圖1是本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器實施例的總體結構圖。

圖2是本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器實施例的細節圖。

圖3是本發明實施例的圓波導埠te01模式反射係數。

圖4是本發明實施例的各矩形波導支路埠-圓波導埠te01模式傳輸係數幅度。

圖5是本發明實施例的各矩形波導支路埠-圓波導埠te11模式傳輸係數幅度。

圖6是本發明實施例的圓波導埠te01波與te11波的相對功率。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

如圖1、2所示，本具體實施例為一個8毫米波段新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器。在實施例中，一端短路的輸出圓波導，其半徑大小的選取至關重要。在本實施例中，其半徑選取規則是：要能滿足所需工作模式te01的傳輸，同時抑制其以下高次模的傳輸，這裡選取圓波導的半徑為r＝6.4mm，記為埠1。4路輸入矩形波導尺寸結構相同，其輸入窄邊高度為b0＝2.8mm，窄邊由b0逐漸線性變化至圓波導側壁連接處波導口窄邊高度b1＝7.2mm，輸入矩形波導寬邊尺寸a始終保持不變，為7.112mm，4路輸入矩形波導的底面到圓波導短路面的距離為dh＝1mm。這裡依次記4路輸入矩形波導埠為2-5。

圓波導內匹配圓臺位於圓波導短路面中心，其半徑rm＝3.2mm，高度hm＝2.6mm。

圖2為本實施例新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器其模式變換器的細節展示，本實施例中金屬膜片共有4片，安插於相應的4路矩形波導窄邊中心，並與每路輸入矩形波導的h面平行。金屬膜片一端伸向矩形波導內部，其高度與矩形波導寬邊a一致，其伸入矩形波導內的長度l＝5.1mm；另一端伸向圓波導內部，與匹配圓臺銜接。伸向圓波導內的金屬膜片下端與圓波導短路面相連，上端與波導上臂齊平。

圖3-6為本發明實施例的電磁場仿真結果。在圖3中，本發明實施例的圓波導埠te01模式反射係數在32-36ghz範圍內≤-23db；在35.2ghz達到最小，為﹣40db。圖4中，在32-36ghz範圍內，本發明實施例的各矩形波導支路埠-圓波導埠te01模式傳輸係數幅度為-6.03db左右，最大為-6.01db，最小值為-6.05db；和理論值-6db相比可知，本發明實施例的各矩形波導支路埠-圓波導埠傳輸損耗小於0.05db，且幅度一致性良好。由圖5可見，最大的幹擾模式te11模到各埠的傳輸係數基本達到了-10db以下。由圖6可見，本發明所述te10-te01模式轉換器的圓波導埠，所需工作模式te01模的強度遠遠高於te11模的強度。可見，本實施例實現了由矩形波導口饋入的te10模成功激勵起圓波導中純度較高的te01模，提高了所需工作模式的轉換效率並保證了系統工作的穩定性。

由以上結果可以看出，本發明所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器在八毫米波頻段實現了由矩形波導口饋入的te10波成功激勵起圓波導中高純度的te01波，提高了所需工作模式te01模的轉換效率並保證了系統工作的穩定性。由實施例可以看出，本發明所述所述新型的矩形波導te10-圓波導te01模式轉換器插入損耗小，能在寬頻帶內實現對圓波導內低次模式的抑制，具有廣泛的應用前景。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。