一种高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器

摘要

本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种高功率微波圆波导TM01‑TE11模式转换器，主要由一个输入圆波导、一个矩形波导以及一个输出圆波导级连组成。输入圆波导与输出圆波导的中心轴线在同一位置，器件端口共轴。矩形波导两端短路，两个短路面距离系统中心轴线的长度相差四分之一个导波波长，其宽边所在的波导壁分别设置输入接口与输出接口，输入接口与输入圆波导连接，输出接口与输出圆波导连接。为了减小圆波导TE11反射模式，输入圆波导内部沿径向设置两块金属板。本发明实现了圆波导TM01模式到圆波导TE11模式的转换，具有加工容易、结构紧凑以及输入端口、输出端口中心共轴的优点，可应用于高功率微波系统中。

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种加工容易、结构紧凑以及输入端口、输出端口中心共轴的圆波导TM01-TE11模式转换器。

背景技术

高功率微波技术兴起于20世纪70年代，是等离子体物理和脉冲功率技术相结合的产物，可应用于先进通信、高灵敏超远距离雷达探测、定向能应用及功率传输等领域。而基于目前的技术路线，大部分高功率微波应用都要求高功率微波系统能够集中、定向地进行能量辐射；然而，目前的高功率微波源产生的微波模式均为圆波导TM01或者同轴TEM，这些模式的辐射方向图呈现为轴向增益为零的环状分布，若直接通过上述模式驱动辐射天线，将会导致能量分散、旁瓣电平高的问题，不利于高功率微波系统的空间传输与定向发射。因此，高功率微波系统在进行能量辐射之前，需要借助模式转换器把圆波导TM01模式或者同轴TEM模式转换为方向性强、能够定向辐射的圆波导TE11模式。

典型的模式转换器有双弯曲和三弯曲结构，这种结构以模式耦合理论为设计基础，通过弯曲波导轴线使波导内的各模式发生能量耦合，从而实现模式转换。这种类型的模式转换器具有很高的转换效率，理论上可以达到99.99％。然而，由于涉及到弯曲波导的加工，所以器件加工比较困难；而且双弯曲结构的输入端口和输出端口的中心不在同一轴线上，不利于高功率微波系统的整体集成。三弯曲结构虽然解决了输入端口和输出端口中心不共轴的问题，但是器件加工困难、结构不紧凑的问题更为严重。为了解决上述问题，本发明设计了一种加工容易、结构紧凑以及输入端口、输出端口中心共轴的高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一款加工容易、结构紧凑以及输入端口、输出端口中心共轴的高功率微波模式转换器，实现圆波导TM01模式到圆波导TE11模式的转换。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器，其特征在于：由一个输入圆波导、一个矩形波导以及一个输出圆波导级连组成；所述输入圆波导和输出圆波导的中心轴线重合，输入圆波导内部沿径向设置两块金属板；所述矩形波导两端短路，其宽边所在的两个波导壁分别设置输入接口和输出接口，输入接口与输入圆波导连接，输出接口与输出圆波导连接。

进一步地，所述输入圆波导的半径为R

进一步地，所述矩形波导的宽边为W，窄边为H

进一步地，所述输出圆波导的半径为R

进一步地，所述金属板的两端与输入圆波导的内壁相接呈圆弧状，金属板宽度为D，厚度为t；两块金属板的距离为H

本发明模式转换的过程为：输入圆波导连接上游高功率微波源器件，注入圆波导TM01模式，圆波导TM01模式传输到矩形波导中激励形成矩形TE10模式；矩形TE10模式受到矩形波导两端短路面的作用反射至系统中心轴线处，由于两端短路面距离系统中心轴线的长度相差四分之一个导波波长，因此经反射后的两端矩形TE10模式具有180°的相位差；接着，两路具有180°相位差的矩形TE10模式会分别在输入圆波导、输出圆波导中合成为圆波导TE11模式；由于本发明要实现的目标是把输入圆波导TM01模式转换成输出圆波导TE11模式，因此需要采取措施减小反射至输入圆波导的TE11模式，本发明采取的措施是在输入圆波导中沿径向插入两块金属板。

本发明的有益效果在于：

(1)结构简单、紧凑。通过两个圆波导以及一个矩形波导之间的级连，本发明能够实现圆波导TM01模式到圆波导TE11模式的转换，结构设计简单。此外，本发明的轴向尺寸为2.3个导波波长，径向尺寸为1.2个导波波长，整体结构简单紧凑、易于加工实现。

(2)转换效率高、工作频带较宽。本发明模式转换效率最大可达98.4％，转换效率大于90％的相对带宽为10.0％，满足高功率微波系统的要求。

(3)本发明输入端口和输出端口的中心共轴，系统集成方便，进一步缩减了系统的整体尺寸。

(4)本发明通过合理设计两块金属板的尺寸以及其在输入圆波导中插入的位置，能够减小模式转换器的反射模式，从而提升模式转换效率，改善器件性能。

附图说明

图1是本发明的高功率微波模式转换器的三维结构图。

图2是本发明的高功率微波模式转换器的主视图。

图3是本发明的高功率微波模式转换器的侧视图。

图4是本发明的高功率微波模式转换器的俯视图。

图5是本发明的高功率微波模式转换器的转换效率曲线图。

图6是本发明的高功率微波模式转换器的反射系数曲线图。

附图标记：1-输入圆波导，2、3-金属板，4-矩形波导，5-输出圆波导

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明设计了一种高功率微波圆波导TM01-TE11模式转换器，主要由输入圆波导(1)、矩形波导(4)和输出圆波导(5)级连组成。输入圆波导(1)和输出圆波导(5)的中心轴线在同一位置，器件端口共轴。矩形波导(4)的左右两端短路，其宽边所在的上下两个波导壁分别设置输入接口和输出接口，输入接口与输入圆波导(1)连接，输出接口与输出圆波导(5)相接。为了减小反射模式，输入圆波导(1)沿径向设置两块金属板(2，3)。

图2、图3以及图4分别为模式转换器的主视图、侧视图以及俯视图，并标注了模式转换器的尺寸参数。

为了保证输入圆波导(1)能够传输TM01模式，并对TE21以上的高阶模式截止，输入圆波导(1)应满足条件：

矩形波导(4)的宽边W＝9.50cm，窄边H

为了减小反射的圆波导TE11模式，需要在输入圆波导(1)中沿径向插入两块金属板(2，3)。金属板(2，3)的宽边D＝2.00cm，厚度t＝0.30cm，两块金属板(2，3)之间的距离H

图5是本发明的高功率微波模式转换器的转换效率曲线图。据图可知，本发明的模式转换器最大转换效率可达98.4％，转换效率大于90％的频率范围在2.79GHz～3.09GHz(300MHz)之间，对应的相对带宽为10.0％。这表明模式转换器具有很高的转换效率，能够在较宽的频带内工作。

图6是本发明的高功率微波模式转换器的反射系数曲线图。据图可知，模式转换器在3.0GHz频点的反射系数为-26dB；反射系数小于-10dB的频率范围为2.78GHz～3.10GHz。结果表明，所设计的模式转换器在工作频带内反射较小，在工作频点3.0GHz处得到了很好的匹配。

综上所述，本发明的高功率微波模式转换器具有加工容易、结构紧凑以及输入端口、输出端口中心共轴等优点，能够应用于高功率微波系统中。