CN103956551A - 高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器。包括内导体和外导体，内导体成阶梯状圆柱体，阶梯半径沿输入至输出方向阶梯增大；外导体为圆柱筒形状，内壁成阶梯状，阶梯半径沿输入至输出方向阶梯减小。外导体第一阶梯半径R_out1与内导体第一阶梯半径R_in1组成的同轴圆波导结构中只能传输n个模式；以此类推，外导体第n阶梯半径R_out1与内导体第n阶梯半径R_in1组成的同轴圆波导结构中只能传输1个模式。高功率微波经模式转换器后输出圆波导同轴TEM模式。本发明体积小、重量轻、结构紧凑、转换效率高、功率容量大、易于与高功率微波***集成等优点，可以应用于高频段的高功率微波混合模式辐射***中，具有良好的应用前景。

Description

高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种模式转换器，尤其是一种工作在高频段的高功率过模结构混合模式转换器。

背景技术

近年来，高功率微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，高功率微波源的研究成果主要集中在L、S、C、X等波段，而发展更高频率的高功率微波设备将是高功率微波研究领域的下一重点之一。多数微波源均输出同轴波导或圆波导旋转轴对称模，如TM_0n或同轴TEM模等，其中主流模式是圆波导TM₀₁模和同轴TEM模。由于这些模式由于场分布和极化方向在波导横截面上绕波导轴具有旋转对称性，因而其辐射方向呈现出轴向为零的环状远场方向图。显然，这样的模式若直接发射或用于驱动传统的天线将会有轴向辐射为零、能量分散、旁瓣电平高等问题，最终导致能量不能有效地集中在目标上。因此，在应用中通常需要用高功率微波模式转换器将高功率微波源产生的圆波导同轴TEM模或圆波导TM₀₁模转换为TE₁₁模，再通过天线辐射出去。基于高功率微波源向更高频段发展的特点，其为提高输出功率通常采用过模结构，因而此类高频段过模高功率微波源的输出模式可能为TM_0n混合模式（同时含有TM₀₁、TM₀₂、TM₀₃等模式）。而现有的高功率微波发射天线基本上是单一模式驱动，所以这类发射天线无法作为高频段过模高功率微波源的发射终端，需要在微波源和发射终端之间增加模式转换器件，将TM_0n混合模式转换为单一的圆波导TM₀₁模式或圆波导同轴TEM模式。因此，作为高频段高功率微波发射***的关键部件之一——高频高功率过模结构混合模式转换器将成为研究热点之一。

国防科技大学袁成卫博士设计了一种高功率微波径向线缝隙阵列天线【Cheng-Wei Yuan, et al. Designs and Experiments of a Novel Radial Line Slot Antenna for High-Power Microwave Application, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.61, No.10, 2013】，其馈入模式为圆波导同轴TEM模或圆波导TM₀₁，因此一般的高功率微波源可以直接驱动该天线，省去了模式转换的繁琐环节。而高频过模高功率微波源输出TM_0n混合模式，则无法直接利用该天线实现微波的定向辐射。针对这一具体的技术问题，需要设计一种高功率微波混合模式转换器，在一定过模结构下，将TM_0n混合模式转换为单一的圆波导同轴TEM模式。

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转换模式单一的不足，提供一种将TM_0n混合模式转换为单一的圆波导同轴TEM模式的、结构简单紧凑、具有高功率容量的新型混合模式转换器。

本发明的技术方案是：

本发明高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器包括内导体和外导体，内导体成阶梯状圆柱体，阶梯半径沿输入至输出方向阶梯增大；外导体为圆柱筒形状，内壁成阶梯状，阶梯半径沿输入至输出方向阶梯减小；内导体和外导体同圆柱轴线，且阶梯数都为n，n为正整数，内导体和外导体阶梯改变的位置同步，即在同一个切面上改变到下一级阶梯。

所述高功率微波圆波导插板混合模式转换器还满足以下条件：

外导体第一阶梯半径R _out1与内导体第一阶梯半径R _in1组成的同轴圆波导结构中只能传输n个模式；外导体第二阶梯半径R _out1与内导体第二阶梯半径R _in1组成的同轴圆波导结构中只能传输n-1个模式；以此类推，外导体第n阶梯半径R _out1与内导体第n阶梯半径R _in1组成的同轴圆波导结构中只能传输1个模式，即圆波导同轴TEM模式。其中，R _out1 > R _out2 >……R _outn-1 > R _outn，R _in1 < R _in2 <……R _inn-1 < R _inn。

实际应用时，R _out1 、 R _out2 、……R _outn-1 、R _outn，R _in1 、R _in2 、……R _inn-1、R _inn，L ₁、L ₂、……L _n-1 、L _n等参数可以通过电磁仿真软件（如CST、HFSS）进行优化，使总体反射达到最小，它能够承受的功率容量值亦可通过该软件仿真得到。

    本发明的高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器的输出口接高功率微波径向线缝隙阵列天线的输入口，高功率微波经模式转换器后输出圆波导同轴TEM模式。高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器的内导体和外导***置固定，共圆柱轴线，不会产生错位。

本发明的有益效果为：高功率微波在过模圆波导中以TM_0n混合模式输入该高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器，经模式转换后输出圆波导同轴TEM模式。本发明体积小、重量轻、结构紧凑、转换效率高、功率容量大、易于与高功率微波***集成等优点，可以应用于高频段的高功率微波混合模式辐射***中，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例一提供的高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器的轴向剖面图；

图2为图1的A方向正视图；

图3为图1的B方向正视图。

具体实施方式

如图1所示，将TM_0n混合模式（含有TM₀₁、TM₀₃模式，分别占总功率的70%、30%）转换为圆波导同轴TEM模，取n = 3。本发明高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器包括内导体1和外导体2。内导体成阶梯状，阶梯半径沿输入至输出方向逐渐阶梯增大。外导体内壁成阶梯状，阶梯半径沿输入至输出方向逐渐阶梯减小。

具体地，针对例一，国防科技大学设计了中心频率为14.5GHz的高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器，其口径D =70mm，长度L小于150mm。在中心频点处，TM_0n混合模式（含有TM₀₁、TM₀₃模式，分别占总功率的70%、30%）转换为圆波导同轴TEM模的转换效率大于95%，***功率容量大于1.5GW。

由上述结果可知，本发明这种实施方式具有反射小，功率容量高的特点。

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述，以使他们易于理解与运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施的各种变更是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不限定在这里所述的方案，而是与所述的权利要求一致的范围。

Claims (3)

1.高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器，包括内导体和外导体，其特征在于，

所述内导体成阶梯状圆柱体，阶梯半径沿输入至输出方向阶梯增大；

所述外导体为圆柱筒形状，内壁成阶梯状，阶梯半径沿输入至输出方向阶梯减小；

所述内导体和外导体同圆柱轴线，且阶梯数都为n，n为正整数，内导体和外导体阶梯改变的位置同步，即在同一个切面上改变到下一级阶梯；

所述模式转换器末端为输出口。

2.根据权利要求1所述的高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器，其特征在于，所述外导体的第一阶梯半径R _out1与内导体的第一阶梯半径R _in1组成的同轴圆波导结构中只能传输n个模式；外导体第二阶梯半径R _out1与内导体第二阶梯半径R _in1组成的同轴圆波导结构中只能传输n-1个模式；以此类推，外导体第n阶梯半径R _out1与内导体第n阶梯半径R _in1组成的同轴圆波导结构中只能传输1个模式，即圆波导同轴TEM模式，其中，R _out1 > R _out2 >……R _outn-1 > R _outn，R _in1 < R _in2 <……R _inn-1 < R _inn。

3.根据权利要求1所述的高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器，其特征在于，所述高功率微波圆波导阶梯混合模式转换器的输出口接高功率微波径向线缝隙阵列天线的输入口，高功率微波经模式转换器后输出圆波导同轴TEM模式。