CN106941061B - 紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了紧凑型宽带TEn0‑HE0n模式变换装置，属于真空电子技术领域。该装置包括依次连接的输入矩形波导、N级台阶变换段、输出封闭共焦波导段、输出开放共焦波导段。该结构同时对共焦波导镜面曲率半径和镜面宽度进行多级台阶渐变，实现了在相对带宽大于50％的频带内模式转化效率优于‑1dB，且传输曲线平坦、光滑，与线性渐变相比渐变长度大大缩短，结构紧凑、易于加工。

Description

紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种应用于毫米波和太赫兹波段的共焦波导回旋器件高频***冷测用模式变换装置。
背景技术
近年来，国内外在毫米波、太赫兹频段共焦波导回旋器件(包括共焦波导回旋振荡器件和共焦波导回旋行波放大器件)的研制方面取得了很大进展。共焦波导结构是由MIT提出的一种新型的互作用结构，该结构具有良好的模式选择特性，使得回旋器件可以稳定工作于高阶模状态，有效解决了传统回旋器件由于尺寸共度现象难以工作于W波段和太赫兹频段的瓶颈。在共焦波导回旋器件中，横向模式为HE0n模式，当n为偶数时，这种模式与圆柱波导中的TE0,n/2模式场分布类似。在研制共焦波导回旋器件时，需要对高频***中工作模式和主要寄生模式的色散特性和损耗特性(回旋行波放大器件)以及谐振腔Q值和谐振频率(回旋振荡器件)进行冷测实验。要对共焦波导高频***以上特性进行冷测，研制激励共焦波导中高阶模式HE0n的模式变换装置是必需的。冷测实验用模式激励器需要满足宽带、带内平坦度好等特性，一种可行的方案是将激励HE0n模的模式变换装置分为两段分别进行设计：1)矩形波导TE10模到矩形波导TEn0模的模式变换装置；2)矩形波导TEn0模到共焦波导HE0n模的模式变换装置。本发明主要针对第二段进行设计，提出了一种紧凑型宽带矩形波导TEn0模式到共焦波导HE0n模式的模式变换装置。
发明内容
本发明针对激励共焦波导高阶模式HE0n的模式变换装置在共焦波导回旋器件高频***冷测实验中的重要作用，提出了一种紧凑型宽带矩形波导TEn0模式到共焦波导HE0n模式的模式变换装置，该结构同时对共焦波导镜面曲率半径和镜面宽度进行多级台阶渐变，实现了在相对带宽大于50％的频带内模式转化效率优于-1dB，且传输曲线平坦、光滑，与线性渐变相比渐变长度大大缩短，结构紧凑、易于加工。
本发明具体采用如下技术方案：
一种紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置，该装置包括依次设置的输入矩形波导、N级台阶渐变段、输出封闭共焦波导段、输出开放共焦波导段，其特征在于N级台阶渐变段的共焦波导镜面的曲率半径和镜面宽度为多级台阶渐变，考虑到模式转换效率和加工难度，N取值为3～10。
进一步地，所述模式渐变过程在封闭的N级台阶渐变段完成，有效避免模式变换过程中开放腔的微波衍射损耗，提高模式转化效率。
进一步地，每一级台阶渐变段长度初始值为四分之一波导波长，其数值最终可通过CST或HFSS等三维仿真软件优化得到。
进一步地，渐变级数N以及每一级的镜面宽度和镜面曲率半径可以通过CST 或者HFSS等三维仿真软件优化得到。
本发明的优点：
1)可实现n＝1,2,3…时矩形波导高阶模式TEn0到共焦波导高阶模式HE0n的变换。
2)相比线性渐变，可大大缩短变化段长度，结构紧凑、易于加工，便于实际应用。
3)模式变换过程在封闭腔内完成，最终变换到输出共焦波导段，最后再由输出封闭共焦波导段变换为输出开放共焦波导段，有效避免模式变换过程中开放腔的微波衍射损耗，提高模式转化效率。
4)同时对共焦波导镜面曲率半径和镜面宽度进行台阶渐变，缩短渐变段长度，结构紧凑、易于加工。
附图说明
图1为本发明提出的紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置三维结构图。
图2为本发明提出的紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置y-z平面剖面结构图。
图3为本发明提出的紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置电场分布图。
图4为本发明提出的紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置S参数(传输和反射)曲线。
附图标号说明：输入矩形波导1，第一级台阶渐变段2，第二级台阶渐变段3，第三级台阶渐变段4，封闭共焦波导输出段5，开放共焦波导输出段6。
具体实施方式
以下就以W波段(中心频率95GHz)矩形波导TE40模到共焦波导HE04模式的模式变换装置为例，对本发明进一步详细说明。
设共焦波导镜面的曲率半径为rc，两镜面的间距为Lt，镜面的宽度为2a。共焦波导回旋器件中，镜面曲率半径与镜面间距相等，即rc＝Lt，对于共焦波导中传输的HE0n模，横向波数可以表示为
式中n表示两镜面间场在y轴方向上幅度最大值出现的次数。
截止频率与横向波数的关系
色散特性关系为
式中k和kz分别为波数和纵向波数。当n为偶数时，如果以圆波导中的TE0,n/2模类比共焦波导中的HE0n模，可以发现，共焦波导中模式密度较圆波导要稀疏很多。
传输TEn0模式矩形波导的宽边尺寸ain和传输HE0n模式的输出共焦波导镜面间距Ltout由截止频率确定，因而ain与Ltout尺寸相近，设计中只需要对输入矩形波导窄边bin和共焦波导镜面宽度进行变换。本发明先将窄边宽度为bin的输入矩形波导变换到宽度为2aout的封闭共焦波导，最后从封闭的共焦波导变换到开放的共焦波导，避免了由于模式渐变段中开放的共焦波导引起的衍射损耗，从而提高模式转换效率。考虑到开放共焦波导镜面宽度2aout较大时HE0n模的衍射损耗非常小，设计中选取的2aout较大，最后再将宽度为2aout的封闭共焦波导过渡到宽度为2aout的开放共焦波导，实际使用时可以将宽度为2aout的开放的共焦波导渐变到适合于高频结构的镜面宽度。通过N级四分之一波长渐变段将窄边尺寸为bin的矩形波导变换到2aout宽度的封闭共焦波导，该过程中同时在两个方向进行台阶渐变，即：1)对共焦波导镜面曲率半径进行压缩(输入矩形波导可等效为镜面曲率半径为无穷大的封闭共焦波导)；2)对镜面宽度进行渐变增大。
表1为W波段TE40-HE04台阶渐变模式变换装置优化后的主要结构参数列表。
表1优化后主要结构参数
附图1和附图2分别为本发明提出的紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置三维结构图和y-z平面剖视图，其种结构1为输入矩形波导，结构2，3，4分别为三级台阶渐变结构，从结构1到结构5，共焦波导的曲率半径从无穷大逐渐减小，同时x方向的宽度逐渐增大。结构5为最终变换得到的封闭共焦波导，结构6为 x方向开放的共焦波导。其中，输入矩形波导的宽边、三级台阶渐变段以及封闭(开放)共焦波导输出段之间的镜面最大距离相同。
附图3所示为本发明提出的紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置电场分布，由于矩形波导在x方向(窄边方向)为封闭腔，可以考虑将矩形波导渐变到x方向封闭的共焦波导，再将封闭的共焦波导变化到开放腔，设计中为了保证共焦波导x方向边界封闭前后对场的扰动较小，可以先将矩形波导变换到镜面较宽的共焦波导，实际使用中再变换到适合的镜面宽度。当封闭的共焦波导的镜面曲率半径不断增大到无穷大时，共焦波导退化为矩形波导。因此，在保持共焦波导的镜面间的间距不变时，通过N级台阶渐变(不断增大镜面曲率半径)就可以将共焦波导变换为矩形波导。
由于矩形波导在x方向的电场分布是均匀的，而共焦波导中电场沿x方向分布不均与，在中心处电场最强，随着x的增大电场逐渐减小。当共焦波导的镜面宽度2a较大时，在x方向上，场主要集中在中心处，越靠近边界场越弱，因而在台阶渐变的过程中如果只改变镜面曲率半径的话，模式转换的效率和带宽会受限。本发明通过在N级台阶渐变的过程中，对镜面曲率半径增大和镜面宽度压缩两个方向同时进行渐变，使矩形波导中的场分布不断接近封闭的共焦波导腔，渐变级数N以及每一级的长度，镜面宽度和镜面曲率半径可以通过CST或者 HFSS等三维仿真软件优化得到，最终可以得到宽带、高转换效率的模式变换装置。
附图4所示为本发明提出的紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置S参数(传输和反射)曲线，当频率高于91.85GHz时(仿真到140GHz)，模式转化优于 -1dB；反射曲线92.4GHz优于-15dB，反射特性曲线光滑，无谐振点产生。实例中，输出开放共焦波导段会产生额外的衍射损耗，并且随着Lzout增长而增大，但由于镜面宽度2azout比较大，因此HE04模的衍射损耗很小，因而实际的转换效率略高于附图4中的结果。
以上实例仅为方便说明本新型发明，本发明可实现n＝1,2,3…任意HE0n-TEn0模式变换装置变换序列，且通过交换输入、输出方向可以实现TEn0-HE0n模式变换序列。本发明所述模式变换装置具有宽频带、带内光滑，转换效率高等优势，并且结构紧凑，易于加工，适合于毫米波和太赫兹频段共焦波导回旋行波放大器件和共焦波导回旋振荡器件的高频***冷测实验。

Claims (2)

1.一种紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置，该装置包括依次设置的输入矩形波导、N级台阶渐变段、输出封闭共焦波导段、输出开放共焦波导段，其特征在于：N级台阶渐变段的共焦波导镜面的曲率半径和镜面宽度同时进行多级台阶渐变。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置，其特征在于：所述N级台阶渐变段中N取值为3～10。
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