一种高功率微波TE31-TE11模式转换器

摘要

本发明公开了一种高功率微波TE31‑TE11模式转换器，包括外筒和内筒，所述外筒一端面开口另一端面密封，所述外筒的密封端面上设置有一个通孔，所述内筒嵌入在外筒密封端上的通孔内，通孔的直径与内筒的外径一致，所述内筒与外筒同轴设置，所述内筒的壁面沿着轴线方向设置有若干耦合缝隙，所述外筒的内壁上设置有两根调谐杆，调谐杆分别位于内筒的两侧；本发明基于场耦合原理，通过镜像对称的耦合缝隙，巧妙地将TE31模式直接高效率的转换为TE11模式，该发明公布的模式转换器具有结构简单、易于加工、体积紧凑的优点，可在多种采用磁控管作为微波源的高功率微波系统中得到广泛应用。

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波天馈技术领域，具体是指一种新型的可将相对论磁控管或其他高功率微波器件输出的圆波导TE₃₁模高功率微波转换为圆波导TE₁₁模式的转换器。

背景技术

高功率微波是指（High-Power Microwave，HPM）是强电磁脉冲的一种，其频率范围为300MHz～300GHz、峰值功率高于100MW，具有高频率、短脉冲（几十纳秒）和高功率等特点。相对论磁控管是用于产生高功率微波的一种常见器件，由于它结构简单、牢固、工作可靠性高，具有高效率与重复脉冲工作的潜力，同时也具有多管锁相工作路合成得到更大功率高功率微波的可能性，因而受到了以应用为主要目标的科技工作者的高度重视。美国、俄罗斯、英国和其它国家的科学家们对相对论磁控管进行了长期的研究。为了实现高效输出，通常采用衍射输出方式将高功率微波以圆波导TE₃₁模式输出，由于圆波导TE₃₁模的辐射方向图为分裂的六个瓣状波束，非常不利于实际应用，因此需将其转换为能定向辐射的圆波导TE₁₁模式。而目前高功率微波领域采用的插板移相式模式转换器和弯曲圆波导式模式转换器均不适合在较紧凑体积内实现TE₃₁模式到TE₁₁模式的转换。

发明内容

本发明的目的是提供一种高功率微波TE₃₁-TE₁₁模式转换器，可直接将圆波导内的TE₃₁模式在很紧凑的体积内转换为可定向辐射的TE₁₁模式，提升高功率微波系统的紧凑程度和天线窗的功率容量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高功率微波TE₃₁-TE₁₁模式转换器，包括外筒和内筒，

所述外筒一端面开口另一端面密封，所述外筒的密封端面上设置有一个通孔，所述内筒嵌入在外筒密封端上的通孔内，通孔的直径与内筒的外径一致，所述内筒与外筒同轴设置，

所述内筒一端面开口另一端面密封，内筒的密封端面对应外筒的开口端面，内筒的开口端面延伸到外筒密封端面外，

所述内筒的壁面沿着轴线方向设置有若干耦合缝隙，

所述外筒的内壁上设置有两根调谐杆，调谐杆分别位于内筒的两侧，

所述外筒为TE₃₁模式传输段，所述设置在外筒内的内筒为TE₁₁模式传输段，

所述内筒与外筒之间的空间为密封真空。

在上述技术方案中，所述内筒表面设置的若干耦合缝隙分为两组，两组耦合缝隙沿着内筒的轴线呈中心对称设置。

在上述技术方案中，所述每一个耦合缝隙的长度一致，均为工作波长的的0.4倍至0.5倍之间。

在上述技术方案中，所述每一个耦合缝隙的边缘均为光滑弧形的圆角。

在上述技术方案中，内筒的密封端面的边缘到内筒壁面之间为光滑弧形的圆角。

在上述技术方案中，所述两根调谐杆位于内筒上的耦合缝隙的两侧。

在上述技术方案中，所述两根调谐杆对称设置在内筒上的耦合缝隙两侧。

在上述技术方案中，所述两根调谐杆平行设置。

在上述技术方案中，所述外筒整体为圆筒结构，开口端设置有法兰定位盘，密封端为内收的倒角锥筒。

在上述技术方案中，所述倒角锥筒的端面上内嵌内筒。

本发明的工作原理：所述模式转换器大端与输出高功率微波模式为TE₃₁模的相对论器件连接，小端与馈入模式为TE₁₁模的定向辐射天线连接，TE₃₁模的高功率微波经所述TE₃₁模式传输段传输到达所述耦合缝隙时，在耦合缝隙的侧柱面上产生表面电流，由于缝隙位置的合理布置，感应电流被缝隙切割绕流，从而在缝隙上形成磁偶极子，并将高功率微波能量耦合进入所述TE₁₁模式传输段，由于左右两边缝隙感应的电场方向相反，因此在TE₁₁模式传输段中合成了TE₁₁模式高功率微波并输出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的新型TE₃₁-TE₁₁模式转换器结构简单、易于制造、工作频带宽，非常适合作为采用相对论磁控管的紧凑型高功率微波系统模式转变部件，可广泛应用于高功率微波发射系统、超大功率雷达发射系统等领域。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明内筒的结构示意图；

图3是本发明模式转换器端口散射系数曲线；

其中1是TE₃₁模式传输段；>11模式传输段；>

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1 所示，本发明的结构由TE₃₁模式传输段、耦合缝筒、TE₁₁模式传输段和两个调谐杆共四个部分构成，耦合缝筒嵌入在TE₃₁模式传输端中，且共轴安装。所述TE₃₁模式传输段用于与相对论高功率微波器件的输出口连接，传输馈入的TE₃₁模式高功率微波；所述耦合缝隙，结构如图2所示，整体为一端开口的圆筒结构，在封闭一端有倒角，侧面上有八个纵向长条缝隙，缝隙长度约为工作波长的二分之一，用于耦合TE₃₁模式的高功率微波与TE₁₁模式，八个缝隙左右镜像对称、上下镜像对称，缝隙边缘导圆角以降低电场强度；所述TE₁₁模式传输段用于与高功率天线的馈入端连接，将经转换得到的TE₃₁模式高功率微波馈送入高功率微波辐射天线；所述调谐杆位于耦合缝隙的两侧，每侧各一根、且对称平行设置，用于TE₃₁模式馈入端口的反射系数匹配调谐，并可抑制高阶模式的产生与反射。

按上述发明方案设计了一款工作频率为1.58GHz的高功率微波TE₃₁-TE₁₁模式转换器，其中所有部件采用无磁不锈钢制造，TE₃₁模式传输段内径为332mm，TE₁₁模式传输段内径为166mm，缝隙筒外径为216mm，缝宽28mm、长120mm，A、B两个缝隙排布角度分别为45.6°和13.6°（与X轴夹角），其余与缝隙A、B呈镜像对称关系，从全电磁波仿真得到的模式转换器金属内壁场分布，可以看到从大端注入的TE₃₁模微波成功转换为了高纯度的TE₁₁模微波并从小端输出，图3为端口S参数曲线，可以看到，在工作频率1.58GHz处，模式转换效率大于99%，转换效率高于95%的百分比带宽大于10%。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。