一种高功率微波TE21‑TM01模式转换器

摘要

本发明涉及高功率微波技术领域的过模波导模式转换器，尤其是一种工作在高功率水平的基于过模圆波导的TE21‑TM01模式转换器，由90°扇形金属环阵列、十字形金属板和过模圆波导组成，组成所述90°扇形金属环阵列的每个单元包括两个90°扇形金属环，两个90°扇形金属环紧贴过模圆波导内壁，角向间隔180°且关于过模圆波导轴线中心对称，每个单元的两个90°扇形金属环按照间隔周期P沿过模圆波导轴线方向周期性地排列过模圆波导内；本发明由于对称的两个扇形波导填充了周期性扇形金属环，形成慢波结构，可在较短的轴向长度内实现相位调节，从而使模式转换器总体长度减小，可以应用于过模波导TE21‑TM01模式转换系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的过模波导模式转换器，尤其是一种工作在高功率水平的基于过模圆波导的TE₂₁-TM₀₁模式转换器。

背景技术

近年来，高功率微波（高功率微波指峰值功率大于100MW或平均功率大于100 kW、频率在1~100GHz之间的电磁波）在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，高功率微波已在能源、医疗、环境保护等民用和军事等领域提出了较多的应用。高功率微波的应用需求决定了输出的高功率微波能量必须向某位置集中，然而高功率微波源，特别是在波导过模条件下产生的微波能量往往是分散的，从而使高功率微波模式转换成为必需。

对于存在于过模圆波导高阶模式而言（TE_mn或者TM_mn，m≥2），一般采用模式耦合的方法来进行降阶处理。

牛新建等人【94 GHz 回旋管过模波导模式转换与传输[J]，强激光与粒子束，2009，V21，No.8，P1207-1210】给出了圆波导Δm=±1和Δm=0的耦合原则分别适合轴线微扰、半径微扰。为抑制其它耦合模式的幅值，提高模式转换效率，常采用以下几种耦合结构：(a) 轴对称半径微扰的波导模式变换器，适合Δm=0形式的模式转换。(b) 波导轴线蛇形线微扰的模式变换器，适合Δm=±1的模式转换。提出了以下方法对转换效率进行提高：对于正弦或余弦变化的模式变换器，其转换效率与壁扰动的初始相位有关，可由以下3 种不同的相位重匹配技术组合而得到提高。(1) 考虑多个寄生模式影响时, 主要波动几何周期的改变；(2) 在适当位置放置一段直波导作为相位延迟段；(3) 沿轴向扰动幅度渐变。采用以上耦合结构和相应的相位重匹配技术, 可实现模式的完全转换。利用波导轴线以蛇形线微扰的方法，可实现圆波导TE₀₁-TE₁₁的高效转换，且波动周期N>

丁敦高等人【一种新型慢波结构TM₀₁-TE₁₁模式转换器的数值模拟】提出了一种采用慢波结构实现模式转换的新思路，即通过一块金属分隔片将圆波导分为两个腔，其中一个腔内插入慢波结构，使扇形TE₁₁模式在两腔内传播产生相位差，然后在金属分隔片尾部形成具有180°相位差的两扇形TE₁₁>11模式输出。数值模拟得到的转换器模型尺寸为15.0>

王冬等人【L波段紧凑型TEM-TE₁₁模式转换器】设计了一种适用于窄带高功率微波源系统的紧凑型TEM-TE₁₁模式转换器。该结构首先将同轴波导沿角向分区使微波在各分区内相位传播常数不同，然后将相位传播常数较大的分区进行横向折叠设计以缩短系统轴向长度。分区传播的微波在模式转换器末端相位差达到180°时，合成同轴波导中TE₁₁模式。为L波段磁绝缘振荡器设计了模式转换器，并采用数值仿真程序进行计算，在1.31GHz中心频率上，模式转换器转换效率为95％；在1.23～1.40>

综上，前人基于不同的原理和方法，设计了多种多样的降阶模式转换器。这些模式转换器既有优点，也有一定的不足，主要体现在：现有的高功率微波模式转换器仍不能完全满足高功率微波发展在尺寸小型化方面迫切的应用需求；较少涉及功率容量达GW级以上、传输效率较高的模式转换器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有高功率微波模式转换器长度较长、加工困难的不足，提供一种具有高功率容量、结构简单、传输效率高的基于过模圆波导的TE₂₁-TM₀₁模式转换器。

本发明采用的技术方案是：一种高功率微波TE₂₁-TM₀₁模式转换器，由90°扇形金属环阵列、十字形金属板和过模圆波导三部分组成，组成所述90°扇形金属环阵列的每个单元包括两个90°扇形金属环，两个90°扇形金属环紧贴过模圆波导内壁，在角向间隔180°且关于过模圆波导轴线中心对称，每个单元的两个90°扇形金属环按照一定的间隔周期P沿过模圆波导轴线方向周期性地排列过模圆波导内；

所述过模圆波导、90°扇形金属环和十字形金属板的结构尺寸满足以下条件：

a. 过模圆波导的半径R需满足TE₂₁模式传输条件：

（1）

其中λ为所需模式转换的高功率微波工作频率对应的自由空间工作波长；

b. 组成十字形金属板的两块金属板的厚度t均满足以下条件：

（2）

两块金属板的宽度w至少与过模圆波导直径相同，以便两块金属板可插入过模圆波导内，即两块金属板的宽度w应满足以下条件：

（3）

两块金属板长度l满足以下条件：

（4）

N为90°扇形金属环阵列单元的组数；

在实际应用中，可在金属圆波导内壁加工4个深约1 mm ~2mm、与两块金属板厚度t相应的轴向槽，轴向槽沿角向间隔90°，从而使两块金属板可以固定在过模圆波导内部而不会发生旋转；

除此之外，还需保证TE₂₁模式电场极化方向与两块金属板的各个侧面垂直，两块金属板相交处的交叉线与过模圆波导的轴线重合；

c. 90°扇形金属环外半径与过模圆波导的半径R相同，90°扇形金属环内半径r满足以下条件：

（5）

各组90°扇形环单元之间的周期间隔P满足：

（6）

90°扇形金属环的厚度与两块金属板厚度t相同，需满足式（2）所列条件；十字金属板长度l与90°扇形金属环沿金属圆波导沿轴向排列的距离相同，满足式（4）所列条件。

进一步的，所述90°扇形金属环阵列单元的组数N=21。

进一步的，所述90°扇形金属环阵列单元安放于过模圆波导内时，其外半径R处应与金属圆波导内壁紧密贴合，每块90°扇形金属环的角向切口处与两块金属板紧密贴合，采用银焊、钎焊等方法使每块90°扇形金属环与过模圆波导、十字形金属板有好的导电连接。

本发明的工作原理为：微波以特定极化的形式，入射到十字形金属板后，在四个90°扇形波导（两个90°光滑扇形波导、两个具有周期性排列扇形金属环结构的90°扇形波导）内以扇形波导TE₁₁传输，由于微波在90°光滑扇形波导和具有周期性排列90°扇形金属环的扇形波导相位常数不同，四个扇形波导的TE₁₁模式经过一段距离后在转换器终端相位变得一致，合成为圆波导TM₀₁，可以满足过模波导TE₂₁-TM₀₁模式的应用需求。

本发明具有以下技术效果：与现有技术相比，由于对称的两个扇形波导填充了周期性扇形金属环，形成慢波结构，可在较短的轴向长度内实现相位调节，从而使模式转换器总体长度减小，加工更为简单，可以应用于过模波导TE₂₁-TM₀₁模式转换系统中。

应用前景：本发明在高功率微波模式转换，特别是过模波导TE₂₁转换为TM₀₁模式后，可由现有技术在较短模式转换器长度内变换为TE₁₁模式，因此在TE₂₁->01-TE₁₁模式转换方面具有良好的应用前景。

附图说明

图1为背景技术【94 GHz 回旋管过模波导模式转换与传输[J]，强激光与粒子束，2009，Vol.21，No.8，P1207-1210】仿真表面结构图；

图2为背景技术【一种新型慢波结构TM₀₁-TE₁₁模式转换器的数值模拟，强激光与粒子束，2007，Vol.19，No.6，P966-970】模式转换器结构示意图；

图3为背景技术【L波段紧凑型TEM-TE₁₁模式转换器，强激光与粒子束，2012，Vol.24，No.9，P2169-2173】模式转换器结构示意图；

图4为本发明基于过模圆波导的高功率微波TE₂₁-TM₀₁模式转换器结构示意图；

图5为本发明基于过模圆波导的高功率微波TE₂₁-TM₀₁模式转换器三维结构图；

图6为本发明基于过模圆波导的高功率微波TE₂₁-TM₀₁模式转换器TE₂₁模式电场极化方向与两块金属板相对位置关系图；

图7为本发明基于过模圆波导的高功率微波TE₂₁-TM₀₁模式转换器传输效率与频率关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式例一：一种工作于28.1 GHz过模圆波导的TE₂₁-TM₀₁模式转换器，由21组90°扇形金属环组成的90°扇形金属环阵列、十字形金属板和过模圆波导三部分组成。过模圆波导半径R为8.5>l与90°扇形金属环沿金属圆波导沿轴向排列的距离相同，均为44.7mm，十字形金属板以纵向插入的方式插入金属圆波导，且金属板宽度w=19mm，两块金属板互相垂直，且保证TE₂₁模式电场极化方向与十字形金属板的各个侧面垂直，两块金属板相交处的交叉线与过模圆波导的轴线重合。电磁仿真软件计算发现，该结构可在中心频率处传输效率达到98.5%，功率容量在28.1>