X波段TM01-TE11模式变换器

摘要

本发明公开了一种X波段TM01-TE11模式变换器，包括呈真空状态的外圆波导管和内圆波导管，内圆波导管位于外圆波导管内侧、且两者轴线重合，外圆波导管包括三段，分别为输入段、锥形段和变换段，所述输入段直径大于变换段直径，输入段的内径为50mm，变换段的内直径为40mm，所述内圆波导管位于变换段，所述内圆波导管外壁与变换段内壁之间均布有至少四块金属隔板，四块金属隔板将内圆波导管外壁与外圆波导管内壁之间分割成四个区域，其中相邻两个区域内的一部分填充聚四氟乙烯介质；经过本发明变换的电磁波中心频率上效率为95.3％，90％以上带宽为3.2％，最大功率为18.6GW，提高了传输效率和承载功率。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁波转换装置技术领域，尤其涉及一种X波段TM01-TE11模式变换器。

背景技术

由于TM01模式输出端口的远场方向图为环形，不利于电磁场的传输和定向发射，需要变换成TE11或EH11等线极化模式，比如：9.7GHz的TM01波从半径25mm的圆波导中输出，经过馈源系统转化成HE11模式，再经过波束波导传输到反射面天线上，由反射面天线发射出去。

波导是用来定向引导电磁波的结构。常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。

通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。当无线电波频率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。

满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式，不同的模式有不同的场结构，它们都满足波导横截面的边界条件，可以独立存在，波导中的场结构可以分为两大类：

TE模：电场没有纵向分量；

TM模：磁场没有纵向分量；

为了完成TM01模到TE模的变换，现有的圆波导隔片式模式变换器是在圆波导的中间加上一块金属片，然后在下半个波导中加载介质或加厚金属壁,让上下半圆波导中的TE11波的传播常数不同，选择金属壁或者介质长度使得上下电磁场相位相差半个周期，从而达到模式变换的目的。

根据现有圆波导隔片式模式变换器进行HFSS仿真，仿真模型半径25mm，中间金属隔片厚度为1mm,下面金属层厚度为10mm，半圆波导和圆波导中的各个模式的相位常数计算方法一样，得到结果，上面半圆波导中TE11相位常数为189.3，下半圆波导TE11相位常数是161.9，上下相位差为180度需要的长度为114mm。

用HFSS进行仿真，输入端口输入TM01波，结果发现转换效率很低，大概50％，对所有参数进行优化后还是一样很低，最高只能到60％。对S参数进行观察，发现输入端口反射回去大概15％的TM01和30％的其他高次模，2端口出射的TE11纯度也低于90％，明显是高次模没有得到抑制，影响转换效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种X波段TM01-TE11模式变换器,将外圆波导管分为输入段、锥形段和变换段，在变换段内侧设置内圆波导管，锥形段使波导半径缩小从而有效抑制高次模的传播，大大提高传输效率和承载功率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种X波段TM01-TE11模式变换器，包括呈真空状态的外圆波导管和内圆波导管，内圆波导管位于外圆波导管内侧、且两者轴线重合，外圆波导管包括三段，分别为输入段、锥形段和变换段，所述输入段直径大于变换段直径，输入段的内直径为50mm，变换段的内直径为40mm，所述内圆波导管位于变换段，所述内圆波导管外壁与变换段内壁之间均布有至少四块金属隔板，四块金属隔板将内圆波导管外壁与外圆波导管内壁之间分割成四个区域，其中相邻两个区域内填充绝缘介质。

所述内圆波导管的壁厚为1mm，内径为29.6mm。

所述金属隔板长度为160.5mm，内圆波导长度为213.9mm，绝缘介质的填充长度为33.4mm。

所述绝缘介质为聚四氟乙烯。

所述金属隔板为铜板或者铝板。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过将外圆波导管分为输入段、锥形段和变换段，在变换段内侧设置内圆波导管，锥形段使波导半径缩小从而有效抑制高次模的传播，经过变换的电磁波中心频率上效率为95.3％，90％以上带宽为3.2％，聚四氟乙烯介质的击穿场强为60MW/M，介质中的最大场强是0.44KV/M，最大功率为18.6GW，大大提高传输效率和承载功率。

附图说明

图1是本发明的变换器结构示意图；

图2是变换器的端面结构示意图；

其中：1、外圆波导管；2、变换段；3、金属隔板；4、内圆波导管。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-2所示，本发明公开了一种X波段TM01-TE11模式变换器，包括呈真空状态的外圆波导管1和内圆波导管4，内圆波导管4位于外圆波导管1内侧、且两者轴线重合，内圆波导的左端跟外圆波导的左端相距100mm，外圆波导管1包括三段，分别为输入段、锥形段和变换段2，所述输入段直径大于变换段2直径，输入段的内直径为50mm，变换段2的内直径为40mm，锥形段的长度为30mm，所述内圆波导管4位于变换段2，所述内圆波导管4外壁与变换段2内壁之间均布有至少四块金属隔板3，四块金属隔板3将内圆波导管4外壁与外圆波导管1内壁之间分割成四个区域，四块金属隔板的长度为160.5mm，厚度为1mm,宽度为4.2mm，其左端跟外圆波导的左端相距153.4mm，其中相邻两个区域内填充33.4mm长度的绝缘介质，绝缘介质优选聚四氟乙烯，聚四氟乙烯介质右端与内圆波导里面的金属板的右端对齐，其左端跟外圆波导的左端相距234.5mm，所述内圆波导管4的壁厚为1mm，内直径为29.6mm；内圆波导管4的长度为213.9mm，所述外圆波导管1的长度为380mm，内圆波导管内的金属隔板长度为114.5mm，宽度为29.6mm，厚度为1mm，与内圆波导轴心线重合，其左端跟外圆波导的左端相距153.4mm。

本发明经过实验验证，通过将外圆波导管分为输入段、锥形段和变换段，在变换段内侧设置内圆波导管，锥形段使波导半径缩小从而有效抑制高次模的传播，经过变换的电磁波中心频率上效率为95.3％，90％以上带宽为3.2％，聚四氟乙烯介质的击穿场强为60MW/M，介质中的最大场强是0.44KV/M，最大功率为18.6GW，大大提高传输效率和承载功率。