CN106505280A - 一种毫米波多频多模模式激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空电子学技术领域，涉及一种波导模式激励装置。一种毫米波多频多模模式激励装置，包括：一个圆波导波纹喇叭天线，用于产生HE₁₁模式；一个平‑凸面介质透镜，用于将HE₁₁模式变换为TEM₀₀模式；一个准抛物柱面反射镜，用于将入射的TEM₀₀模式的电磁波汇聚到准抛物柱面的焦点；一个侧壁开孔的同轴谐振腔，用于产生圆极化的高阶模式，并抑制其他杂模；圆波导波纹喇叭天线与平‑凸面介质透镜共线，准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上，同轴谐振腔水平放置，其轴线与圆波导波纹喇叭天线的轴线异面垂直。本发明的毫米波多频多模模式激励装置，结构紧凑、工作频带宽、调节灵活、扩展方便、激励的模式纯度较高。

Description

一种毫米波多频多模模式激励装置

技术领域

本发明属于真空电子学技术领域，涉及一种波导模式激励装置。

背景技术

回旋振荡管在毫米波段具有高功率、长脉冲、连续波输出等优点，在毫米波雷达、受控热核聚变的等离子体加热、材料处理和生物医学等领域具有广泛的应用前景。近年来，随着超导磁场技术的进步，回旋振荡管可以实现频率阶跃调谐。该项技术的突破可提高等离子体加热进程的可调节性，显著降低加热装置的研制和生产成本。回旋振荡管采用的高阶工作模式需要经过准光模式变换装置变换为便于传输或直接利用的低阶模式。频率阶跃调谐回旋振荡管要求其中的准光模式变换器能够工作于多个频点，并保证与频率对应的多个模式均实现高效率转换。准光模式变换装置在安装前需进行冷测实验，而冷测实验中需要激励高纯度的圆极化高阶模式TE_mn作为待测器件的输入信号。

激励圆极化高阶TE_mn模式的方法主要有波导腔体激励法和准光学激励法。波导腔体激励法是指采用波导腔体或者探针直接激励，用波导变形引起模式变换，将输入的低阶模式变换为高阶模式。但是，不规则波导腔体的加工难度大，模式纯度较低，频带范围窄，尤其是由TE₁₁变换为TE_22,6、TE_28,8、TE_34,17等极高阶模式时，需要多个模式变换序列，导致器件的轴向尺寸急剧增加。准光学激励法是先将输入模式通过天线***转换为准平面高斯波束，利用反射镜的聚焦特性将高斯波束耦合至谐振腔，从而激励起高阶旋转TE_mn模式。但是传统的准光学激励法利用多个反射镜面将波束耦合至谐振腔，不但***复杂，装配对准困难，能力损失大，而且仅适用于单一频率，***构成缺乏灵活性，没有充分发挥准光学方法的宽频带优势。

发明内容

针对现有技术存在的不足及问题，本发明提供了一种毫米波多频多模模式激励装置，利用一套器件即可实现工作频带内多个工作频率下激励出多个工作模式的目标，可作为频率可调谐回旋振荡管中准光模式变换装置冷测实验的信号源。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种毫米波多频多模模式激励装置，包括：

一个圆波导波纹喇叭天线，用于产生HE₁₁模式；

一个平-凸面介质透镜，用于将HE₁₁模式变换为TEM₀₀模式；

一个准抛物柱面反射镜，用于将入射的TEM₀₀模式的电磁波汇聚到准抛物柱面的焦点；

一个侧壁开孔的同轴谐振腔，用于产生圆极化的高阶模式，并抑制其他杂模；

圆波导波纹喇叭天线与平-凸面介质透镜共线，准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上，同轴谐振腔水平放置，其轴线与圆波导波纹喇叭天线的轴线异面垂直。

所述的圆波导波纹喇叭天线包括圆波导输入段、模式变换段以及锥形渐变波纹辐射段，波纹喇叭的输入为圆波导TE₁₁模式，通过模式变换段产生TE₁₁和TM₁₁的混合模式HE₁₁，锥形渐变段用于抑制杂模，并产生宽频带的电磁辐射；圆波导波纹喇叭天线由工字型支架固定于平台上。

平-凸面介质透镜材质为聚四氟乙烯，介质折射率为1.35，透镜的照明面为凸面，阴暗面为平面。透镜的焦点与波纹喇叭天线的相位中心重合，由透镜支架固定于平台上。

准抛物柱面反射镜在垂直方向为准抛物面，在水平方向为光滑柱面，其轮廓方程由等光程原理确定。反射镜的固定装置为一个方向可调节的支架，用于调整反射镜的焦点位置。

侧壁开孔的同轴谐振腔采用三段式结构：截止段、均匀段和输出段；截止段采用半径减小的波导使工作模式截止，输出段采用半径增大的波导形成辐射输出，中间的均匀段为同轴谐振腔的主体部分。

所述的同轴谐振腔由内导体和外导体组成，内、外导体半径根据所需激励的模式和工作频率共同确定，同轴谐振腔的左侧通过盲法兰封闭，外导体由槽型支架固定于平台上。

同轴谐振腔外导体侧壁上的电磁能量耦合结构由m×n个圆形孔构成，其中m为圆周方向孔阵列的行数，n为波导轴向孔阵列的行数，孔的半径为0.5mm，孔的角向间距15°，孔的轴向间距1.2mm。

所述的圆波导波纹喇叭天线、准抛物柱面反射镜、同轴谐振腔由以下材料之一制备而成：无氧铜、铝或黄铜。

所述的毫米波多频多模模式激励装置的工作频率范围为90～180GHz，采用单一频率工作，每个频点对应一个激励模式。将模式激励装置的工作频率范围划分为以下几个频段：90-105GHz，105-120GHz，120-135GHz，135-150GHz，150-165GHz，165-180GHz。每个工作频段对应一个相应带宽的圆波导波纹喇叭天线，采用不同的频段工作时仅需更换波纹喇叭天线，无需改动其他部件。

本发明的毫米波多频多模模式激励装置，与现有技术相比，有益效果在于：结构紧凑、工作频带宽、调节灵活、扩展方便、激励的模式纯度较高，可用于频率可调谐回旋振荡管中准光模式变换装置的冷测实验或其他采用圆极化高阶模式工作的装置。

附图说明

图1为本发明实施例中的毫米波多频多模模式激励装置示意图；

图2为本发明实施例中的圆波导波纹喇叭天线内部结构图；

图3为本发明实施例中的圆波导波纹喇叭天线模型图；

图4为本发明实施例中的圆波导波纹喇叭天线E面方向图；

图5为本发明实施例中的介质透镜结构图；

图6为本发明实施例中的准抛物柱面反射镜结构图；

图7为本发明实施例中的同轴谐振腔结构示意图；

图8为本发明实施例中的同轴谐振腔侧壁耦合孔阵列结构图。

具体实施方式

下面将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。

本实施例中毫米波多频多模模式激励装置的工作频段为90-105GHz，目标激励模式为TE_5,2、TE_5,3、TE_6,2、TE_6,3,。该模式激励装置包括一个毫米波段的圆波导波纹喇叭天线1、一个平-凸面介质透镜2、一个准抛物柱面反射镜3、一个侧壁开孔的同轴谐振腔4，如图1所示。圆波导波纹喇叭天线1由工字型支架固定于平台上。

本发明提供的模式激励装置，通过圆波导波纹喇叭天线1将输入的标准TE₁₁模式变换为HE₁₁模式，平-凸面介质透镜2将HE₁₁模式变换为波阵面为平面的TEM₀₀模式，准抛物柱面反射镜3利用其特有的聚焦特性将入射的TEM₀₀模式的电磁波束通过耦合孔阵列馈入同轴谐振腔谐振腔4，准抛物柱面反射镜3的焦点位于同轴谐振腔4的焦散面14上，从而激励出旋转的高阶腔体模式。

圆波导波纹喇叭天线的工作频带范围为90-105GHz，由圆波导输入段7、模式变换段8以及锥形渐变波纹辐射段9构成，如图2所示。经圆波导输入段7输入的波纹喇叭的信号为圆波导TE₁₁模式，通过模式变换段8产生具有相同截止频率和相速的TE₁₁和TM₁₁模式，构成混合模式HE₁₁。对于小张角的圆锥波纹喇叭天线，其口径辐射场的近场可用圆形喇叭中的场来近似：

求解波纹波导散射矩阵并将其代入上式积分即可得到准确的波纹喇叭的辐射方向图。波纹波导壁的表面电抗可表示为以下形式：

其中r为波导半径，d为波纹喇叭的槽深，k_c＝2π/λ_c为截止波数，J₁和N₁分别为第一类和第二类贝塞尔函数，J′₁和N′₁为其导数。

当表面电抗|Z|→∞时，TE₁₁和TM₁₁模式的边界条件等效。此时，满足波纹波导传输混合模式HE₁₁的条件，即：

J′₁(k_cr)N₁[k_c(r+d)]-N′₁(k_cr)J₁[k_c(r+d)]＝0

求解上式方程可以得到波导传输HE₁₁模式的槽深，方程近似解为d＝λ/4。波纹喇叭在输入端与TE₁₁模式匹配，槽深为λ/2，在辐射端与HE₁₁模式匹配，槽深为λ/4，过渡段的槽深从λ/2逐渐过渡到λ/4。

圆波导波纹喇叭的结构参数如下：中心频率97.5GHz，输入半径1.62mm，输出口面半径7.46mm，总长度45.8mm，转换段长度9.35mm，波纹槽宽0.24mm，波纹周期0.435mm，槽深0.65～1.45mm。圆波导波纹喇叭结构模型如附图3所示。计算得到的圆波导波纹喇叭天线在工作频带内的增益达到19.8dB，第一副瓣电平小于-8.5dB，波纹喇叭辐射方向图和输出口面上的场分布见图4。

平-凸面介质透镜2的焦点与圆波导波纹喇叭天线1的相位中心重合，由透镜支架固定于平台上。平-凸面介质透镜的照明面为凸面，阴暗面为平面。平-凸面介质透镜2将发自圆波导波纹喇叭天线的球面波前经照明面变换成平面波前，即透镜的形状要使得出射的场在垂直于轴的平面上处处同相，也就是从源点到该平面上各点的所有射径都具有相等的光程。平-凸面介质透镜的设计原理如附图5所示。要求射径OPP＇与射径OQQ＇Q＂具有相同的光程，由于PP＇＝Q＇Q＂，即要求OP＝OQQ＇。令OQ＝L，OP＝R，则有

其中λ₀为自由空间波长，λ_d为透镜中波长，λ_d＝λ₀/n，n为介质折射率，本实施例中平-凸面介质透镜材料为聚四氟乙烯，介质折射率为1.35。

准抛物柱面反射镜3在水平方向为光滑柱面，在垂直方向为准抛物面，如图6所示，其轮廓方程由等光程原理确定，直角坐标系下轮廓线参数方程为：

式中R_c为同轴谐振腔中激励模式的焦散半径，l₁为同轴谐振腔轴线到反射镜顶点的距离。准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上。

准抛物柱面反射镜3的固定装置为一个方向可调节的支架，用于调整反射镜的焦点位置。由于不同模式的焦散半径不同，因此焦散面的位置也不同。激励不同模式时需要对固定准抛物柱面反射镜的支架进行方向调节，使得准抛物柱面反射镜的焦点位于焦散面上。

同轴谐振腔由内导体5和外导体6组成。同轴谐振腔分为三段：截止段10、均匀段11和渐变段12。在均匀段中，同轴谐振腔的左侧通过盲法兰封闭。同轴谐振腔的结构如图7和8所示。外导体6侧壁上的电磁能量耦合阵列孔13由7×9个圆形孔构成，其中7为圆周方向孔阵列的行数，9为波导轴向孔阵列的行数，孔的边缘采用圆形倒角工艺处理，孔的半径为0.5mm，孔的角向间距15°，孔的轴向间距1.2mm。

本实施例中，准抛物柱面反射镜、同轴谐振腔以及圆波导波纹喇叭天线的加工均采用无氧铜材料，其中圆波导波纹喇叭天线的内外表面采用镀金工艺处理以降低损耗。

显然，以上所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。不应当将本发明的保护范围仅仅限制至上述具体结构或部件或具体参数。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：包括：

一个圆波导波纹喇叭天线，用于产生HE₁₁模式；

一个平-凸面介质透镜，用于将HE₁₁模式变换为TEM₀₀模式；

一个准抛物柱面反射镜，用于将入射的TEM₀₀模式的电磁波汇聚到准抛物柱面的焦点；

一个侧壁开孔的同轴谐振腔，用于产生圆极化的高阶模式，并抑制其他杂模；

圆波导波纹喇叭天线与平-凸面介质透镜共线，准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上，同轴谐振腔水平放置，其轴线与圆波导波纹喇叭天线的轴线异面垂直。

2.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：所述的圆波导波纹喇叭天线包括圆波导输入段、模式变换段以及锥形渐变波纹辐射段，波纹喇叭的输入为圆波导TE₁₁模式，通过模式变换段产生TE₁₁和TM₁₁的混合模式HE₁₁，锥形渐变段用于抑制杂模，并产生宽频带的电磁辐射。

3.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：平-凸面介质透镜材质为聚四氟乙烯，介质折射率为1.35，透镜的照明面为凸面，阴暗面为平面，透镜的焦点与波纹喇叭天线的相位中心重合。

4.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：准抛物柱面反射镜在垂直方向为准抛物面，在水平方向为光滑柱面，其轮廓方程由等光程原理确定。

5.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：侧壁开孔的同轴谐振腔采用三段式结构：截止段、均匀段和输出段；截止段采用半径减小的波导使工作模式截止，输出段采用半径增大的波导形成辐射输出，中间的均匀段为同轴谐振腔的主体部分。

6.根据权利要求5所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：所述的同轴谐振腔由内导体和外导体组成，内、外导体半径根据所需激励的模式和工作频率共同确定，同轴谐振腔的左侧通过盲法兰封闭，外导体由槽型支架固定于平台上。

7.根据权利要求6所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：同轴谐振腔外导体侧壁上的电磁能量耦合结构由m×n个圆形孔构成，其中m为圆周方向孔阵列的行数，n为波导轴向孔阵列的行数，孔的半径为0.5mm，孔的角向间距15°，孔的轴向间距1.2mm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：模式激励装置的工作频率范围为90~180GHz，采用单一频率工作，每个频点对应一个激励模式。

9.根据权利要求8所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：模式激励装置的工作频率范围划分为以下几个频段：90-105GHz，105-120GHz，120-135GHz，135-150GHz，150-165GHz，165-180GHz；每个工作频段对应一个相应带宽的圆波导波纹喇叭天线。

10.根据权利要求1-7任一项所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：所述的圆波导波纹喇叭天线、准抛物柱面反射镜、同轴谐振腔由以下材料之一制备而成：无氧铜、铝或黄铜。