微波光子晶体模式转换器

摘要

本发明公开了一种微波光子晶体模式转换器，所述模式转换器包括内导体、外导体、支撑杆，内导体通过多根支撑杆与外导体固定连接。通过沿圆周方向非均匀分布的多组支撑杆将同轴波导分为两个扇形区域。其中一个区域是由周期性排列的支撑杆组成的微波光子晶体区，另一个区域是扇形波导区。微波在两个区域内传播相速度不同，通过适当选择模式转换器长度，当微波传过两个区域产生相位差为180度时，即可实现TEM-TE

说明书

技术领域

本发明属于微波电子学领域，具体涉及一种微波光子晶体模式转换器，应用于高功率微波传输与辐射装置。

背景技术

随着等离子体技术、脉冲功率技术的进步以及复杂PIC模拟工具的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。

许多高功率微波源，如轴向提取的虚阴极振荡器、相对论返波管、三腔渡越时间振荡器、多波契伦克夫发生器等的几何结构都是旋转轴对称的，其最终的输出微波模式都是圆波导轴对称模或同轴波导轴对称模。由于其输出端口的口径场分布具有圆对称性，将导致轴向为零的环状远场方向图。这种微波辐射场能量分散，不便于高功率微波的定向辐射。

为了得到方向集中的微波辐射，需要设计轴对称模式辐射天线。这种辐射天线通常情况下可以分成三种：一是模式转换器和辐射喇叭的结构；二是Vlasov天线；三是Cobra（Coaxial Beam-Roatating Antenna）天线。Vlasov天线具有结构简单的特点，但是其方向图特性不理想，增益不高；Cobra天线具有宽频带，方向性好，可以产生任意方向极化波的特点，但是为了获得高增益其尺寸较大，不利于结构小型化；目前在小型化、紧凑型高功率微波源设计方面应用得比较成功的设计方案是模式转换器和辐射喇叭的结构。

名称为“同轴插板式TEM-TE₁₁模式转换器的设计与实验研究”的文章（强激光与粒子束，2005年第17卷第6期，p897）提出一种插板式模式转换器，将同轴波导分成相速度不等的多个扇形波导分区，利用微波在各分区内相位传播速度不同来实现模式转换。但是电磁波在各分区之间相速度差值有限，因此要实现TEM-TE₁₁的模式转换需要很长的系统结构。为了缩短插板式结构的长度，名称为“L波段磁绝缘线振荡器一体化辐射天线”的文章（强激光与粒子束，2008年第20卷第3期，p435）提出了一种插板与介质移相相结合的结构，使模式转换器长度大大减小，但是功率容量问题仍然是该类结构的瓶颈。名称为“紧凑型圆极化模式转换器”的文章（强激光与粒子束，2009年第21卷第3期，p411）提出了一种折叠波导式模式转换结构，通过一个交叉的十字形波导将轴向传播的电磁波引入具有不同长度的几个横向波导中，利用电磁波在横向波导中的路程差产生相位差，实现TEM-TE₁₁模式转换。这种结构具有较高的功率容量，并且可以减小系统的轴向长度，但是却在横向尺度上加大了系统尺寸，特别是在低频段，结构比较复杂，不利于工程实现。

发明内容

为了使模式转换器既能实现模式转换功能，又不增加系统复杂性，同时还能做到结构紧凑，本发明提供一种微波光子晶体模式转换器，该结构能实现TEM/TM₀₁模到TE₁₁模的模式转换，且系统结构简单、紧凑。

本发明的微波光子晶体模式转换器，其特点是，所述的模式转换器包括内导体、外导体、支撑杆；内导体和外导体的外形均由半径不同的同轴心圆筒体构成，内导体通过多根支撑杆固定在外导体内，每根支撑杆的两端分别与内导体、外导体固定连接。所述的支撑杆的截面形状为方形、圆形，或其它形状。支撑杆数目大于三组，每组包含支撑杆的数量为三根以上；支撑杆沿圆周方向非均匀设置。

本发明中通过周期性排列的多组支撑杆将内、外导体组成的同轴波导沿圆周方向分成大致相等的两个区域；其中一个区域内分布有多根具有一定角度间隔的支撑杆，形成扇形波导内的微波光子晶体；另一个区域内为扇形波导；两个区域之间可以在相交边界上通过金属板分开，也可以不设置金属板分隔。

本发明的模式转换器沿微波传播方向分为微波输入口、模式转换区、微波输出口三大功能部分。其中，模式转换区为插入多根支撑杆的同轴波导结构；微波输入口和微波输出口既可以为同轴波导结构，也可以为空心圆波导结构，内、外导体尺寸在三个功能区域可以不相等。微波输入口与微波源或上一级传输装置相连，微波通过输入口进入模式转换器；微波输出口与下一级传输装置或辐射装置相连，将完成模式转换后的微波输出。

本发明的模式转换器的工作原理是：TEM模式或TM₀₁模式的微波进入模式转换器，通过微波输入口后，以TEM模的形式进入模式转换区。在模式转换区内，TEM模的微波沿角向被分成两部分，一部分沿光子晶体区域传播，另一部分沿扇形波导区域传播。由于微波在两个区域内传播相速度不同，在同等传输距离条件下，二者会产生一定相位差。选择恰当的传输距离（即模式转换区长度），使两部分微波在到达模式转换区末端时，相位差为180度。这样，在模式转换区末端，两部分微波将合成同轴波导中的TE₁₁模式，然后经由微波输出口向下游传输。

本发明的模式转换器结构简单、紧凑，具有很高的功率容量，可以在约1个波长的长度内完成模式转换，且不增加系统横向尺寸，能很好地应用于体积小、质量轻的紧凑型窄带高功率微波传输与发射系统。

附图说明

图1是本发明的微波光子晶体模式转换器实施例1的结构示意图；

图2是本发明的微波光子晶体模式转换器实施例1的横截面结构示意图；

图3是本发明的实施例2的结构示意图；

图4是本发明的实施例3的结构示意图；

图5是本发明的实施例4的结构示意图；

图中，1.内导体Ⅰ          31.内导体Ⅱ              41.内导体Ⅲ              51.内导体Ⅳ              2.外导体Ⅰ         32.外导体Ⅱ              42.外导体Ⅲ              52.外导体Ⅳ              3.支撑杆Ⅰ         33.支撑杆Ⅱ              43.支撑杆Ⅲ              53.支撑杆Ⅳ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

图1是本发明的微波光子晶体模式转换器实施例1的结构示意图，图2是图1的横截面视图。在图1和图2中，本发明的微波光子晶体模式转换器包括内导体Ⅰ1、外导体Ⅰ2、支撑杆；内导体Ⅰ1和外导体Ⅰ2的外形均由半径不同的同轴心圆筒体构成，内导体Ⅰ1通过多根支撑杆固定在外导体Ⅰ2内，每根支撑杆的两端分别与内导体Ⅰ1、外导体Ⅰ2固定连接。所述的支撑杆的截面形状为方形；支撑杆数目为三组，每组包含支撑杆数目为六根，支撑杆Ⅰ3为其中一根。支撑杆沿圆周方向非均匀分布。

在本实施例中，微波输入口外导体Ⅰ2的半径为11.5cm，内导体Ⅰ1的半径为6.0cm；模式转换区外导体Ⅰ2的半径为11.5cm，内导体Ⅰ1的半径为5.4cm；微波输出口外导体Ⅰ2的半径为11.5cm，内导体Ⅰ1的半径为5.4cm。在模式转换区，相邻两组支撑杆之间间隔6.85cm；支撑杆截面为正方形，边长为0.4cm；每组支撑杆中，沿圆周方向相邻两根支撑杆之间夹角为39度。在仿真计算中，该模式转换器在中心频率1.58GHz上转换效率为93%，功率容量为11.8GW，模式转换区轴向长度为0.74个微波波长。

实施例2

图3是本发明的微波光子晶体模式转换器实施例2的结构示意图。本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是微波输入口无内导体，用于连接空心波导传输结构。

在本实施例中，微波输入口外导体Ⅱ32的半径为11.5cm；模式转换区外导体Ⅱ32的半径为11.5cm，内导体Ⅱ31的半径为5.4cm；微波输出口外导体Ⅱ32的半径为11.5cm，内导体Ⅱ31的半径为5.4cm。在模式转换区，相邻两组支撑杆之间间隔6.85cm；支撑杆截面为正方形，边长为0.4cm，支撑杆Ⅱ33为其中一根。每组支撑杆中，沿圆周方向相邻两根支撑杆之间夹角为39度；模式转换区内导体前端为锥形结构，其半径分别为2.37cm和5.4cm，长度为3.8cm。。在仿真计算中，该模式转换器在中心频率1.58GHz上转换效率为92%，功率容量为11GW，模式转换区轴向长度为1.06个微波波长。

 实施例3

图4是本发明的微波光子晶体模式转换器实施例3的结构示意图。本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是微波输出口无内导体，用于连接空心波导传输结构，支撑杆截面形状为圆形。

在本实施例中，微波输入口外导体Ⅲ42的半径为10.8cm，内导体Ⅲ41的半径为5.4cm；模式转换区外导体Ⅲ42的半径为9.1cm，内导体Ⅲ41的半径为5.4cm；微波输出口外导体Ⅲ42的半径为9.1cm。在模式转换区，相邻两组支撑杆之间间隔6.9cm；支撑杆截面为圆形，半径为0.2cm，支撑杆Ⅲ43为其中一根。每组支撑杆中，沿圆周方向相邻两根支撑杆之间夹角为42.2度；模式转换区内导体后端为锥形结构，其半径分别为5.4cm和2.45cm，长度为5.5cm。在仿真计算中，该模式转换器在中心频率1.57GHz上转换效率为98%，功率容量为6.50GW，模式转换区轴向长度为1.15个微波波长。

实施例4

图5是本发明的微波光子晶体模式转换器实施例4的结构示意图。本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是微波输入口和输出口均无内导体，用于连接空心波导传输结构，支撑杆截面形状为六边形。

在本实施例中，微波输入口外导体Ⅳ52的半径为10.8cm；模式转换区外导体Ⅳ52的半径为9.0cm，内导体Ⅳ51的半径为5.4cm；微波输出口外导体Ⅳ52的半径为9.0cm。在模式转换区，相邻两组支撑杆之间间隔7.15cm；支撑杆截面为六边形，边长为0.22cm，，支撑杆Ⅳ53为其中一根。每组支撑杆中，沿圆周方向相邻两根支撑杆之间夹角为40度；模式转换区内导体前端为锥形结构，其半径分别为2.93cm和5.4cm，长度为4.3cm；模式转换区内导体后端为锥形结构，其半径分别为5.4cm和2.6cm，长度为5.52cm。在仿真计算中，该模式转换器在中心频率1.54GHz上转换效率为97%，功率容量为6.16GW，模式转换区轴向长度为1.39个微波波长。

实施例5

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是所设置的支撑杆为四组，每组六根。在仿真计算中，该模式转换器在中心频率1.75GHz上转换效率为94%，功率容量为13GW，模式转换区轴向长度为1.22个微波波长。