CN108011159A - 一种矩形波导te10模-圆波导te01模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导TE10模‑圆波导TE01模式转换器，属于微波、毫米波传输器件技术领域。包括矩形波导功分网络，四极波导TE01模式转换结构，四极波导‑圆波导过渡结构。标准矩形波导输入的TE₁₀模通过矩形波导功分网络，分成四个等幅的TE₁₀模；然后同时注入四极波导TE₀₁模式转换结构中，激励起对应的TE₀₁模式；最后，四极波导TE₀₁模式转换结构中的TE₀₁模通过四极波导‑圆波导过渡结构渐变为圆波导TE₀₁模，实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₀₁模式的转换。本发明能够有效抑制寄生模式的产生，使得整个模式变换器具有高效率、高纯度、宽频带的特点。此外，本发明的波导模式变换器结构紧凑，简单，易于加工和装配，具有很好的工程实用性。

Description

一种矩形波导TE10模-圆波导TE01模式转换器

技术领域

本发明属于微波、毫米波传输器件技术领域，具体涉及一种矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器。

背景技术

回旋行波管是一种具有高功率、宽频带、高增益特点的微波毫米波放大器，在等离子体加热、毫米波雷达、电子对抗等方面有很大的应用价值，在国际上备受重视。圆波导TE₀₁模式具有壁损耗极小和场对称的特点，是回旋行波管常用的工作模式。在回旋行波管的研制及其应用过程中，需要对高频组件、输出结构、过渡段和相应的模式变换器、波导弯头等进行低功率测试，以检验这些部件(器件)的性能。信号源输出的激励信号为同轴TEM模或矩形波导TE₁₀模，必须利用模式变换器转换成圆波导TE₀₁模，才能模拟回旋行波管的输出。因此，研制高效率、高纯度的矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器是发展高性能大功率毫米波行波管部件及其传输器件的重要环节。

此外，在毫米波频段，随着频率的升高器件尺寸会相应地减小。如果采用传统矩形波导TE₁₀模式进行电磁波信号传输，波导欧姆损耗较大，难以实现远距离高效传输。而圆波导TE₀₁模式具有欧姆损耗较小的特点，可以保障电磁波信号远距离传输的效率。因此，将矩形波导TE₁₀模式有效地转换成高纯度圆波导TE₀₁模对于降低传输损耗、提高传输效率具有重要意义。

当前，矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器可以用直通式耦合、侧壁激励的方式来实现。直通式耦合如marie模式变换器，先将矩形波导中的TE₁₀模转换成TE₂₀模，再利用十字交叉形结构产生十字波导中TE₂₂模式，最后通过波导渐变的方式将TE₂₂模过渡到圆波导TE₀₁模。这种变换方式产生的模式纯度高，但结构复杂，转换长度较长，对加工精度要求高，一般需要通过电镀的方式来实现，造价高。侧壁激励的方式是在侧向通过对称或不对称激励方式来实现TE₀₁模的产生，结构紧凑。Zewei Wu等利用膜片、匹配腔等匹配结构，将矩形波导中TE₁₀模通过侧边耦合到矩形波导中转换为TE₂₀模，再利用波导连续渐变结构，将矩形波导TE₂₀模逐步转换为圆波导中的TE₀₁模[Zewei Wu,Hao Li,Hua Fu,et.al,“ATE₀₁-modegenerator for testing high power transmission devices”,Review of ScientificInstruments 84,114702(2013)]。这种模式转换方式可以在29.3GHz-31.8GHz的范围内实现传输效率大于90％，且输出的TE₀₁模纯度高于98％。显然，这种模式转换器的工作频带难以满足宽频带器件的应用需求。C.F.Yu等人先利用Y型功分网络将矩形波导输入的TE₁₀模等分为四路TE₁₀模信号，然后将产生的四路TE₁₀模信号通过侧壁耦合的方式同时注入到圆波导，从而激励起圆波导中的TE₀₁模[C.F.Yu and T.H.Chang,"High Performance CircularTE₀₁,Mode Converter,"IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques,vol.53,no.12,Dec.2005]。结果表明：在Ka频带，这种设计方案TE₁₀模传输效率高于-1dB的带宽为5.8GHz，传输效率最高能达到98.5％。在工作频带内，其余模式的转换效率小于0.01％。虽然这种模式变换器的输出性能具有宽频带、高纯度等特点，但传输效率相对依然不高。为了能在更宽的工作频带内高效率地激励起TE₀₁模，王永帅等人在圆波导底部引入了十字波导结构，即先通过T型功分网络将矩形波导中的TE₁₀模等分为四路信号，然后将产生的四路信号同时注入到位于圆波导底部的十字波导，产生十字波导中的TE₂₂模，最后通过波导过渡段将产生的TE₂₂模转换到圆波导中的TE₀₁模[王永帅，蔡钟斌，康小克，刘玥玲，郑贵强，肖红伟。一种圆波导TE₀₁模模式变换器[P].专利号：CN102280676A,2011-12-14.]。这种模式转换方式在28GHz-37GHz的范围内，输入反射小于-20dB，且输出模式均为圆波导TE₀₁模。虽然十字波导的引入有效地提高了波导模式变换器的工作频带及转换效率，但是十字波导到圆波导的波导过渡结构较为复杂，对加工精度要求高。

发明内容

针对现有矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器存在的结构复杂、变换长度长、效率不高等方面的不足，本发明提出一种高纯度高效率宽带TE₀₁模式转换器技术方案。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所采用的结构如下：

一种矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器，包括矩形波导功分网络，四极波导TE₀₁模式转换结构，四极波导-圆波导过渡结构。其中：

所述矩形波导功分网络输入端为标准矩形波导，输出端为输出方向间隔90度的四个标准矩形波导。包括两级波导分支结构、波导连接段、以及波导过渡段成。一级波导分支结构为T型功分结构，将输入标准矩形波导分为两个窄边长度减半的一级波导支路，在一级波导分支结构中间凸起处设置有金属膜片，以扩宽工作带宽。在一级波导分支结构的两个输出端口分别设置有一级矩形波导过渡段，将两个一级波导支路渐变为标准波导输出。一级矩形波导过渡段后接的波导连接段包含一段矩形波导连接段、以及两段四分之一圆弧形矩形波导转弯结构，使两个一级波导支路完成180度转弯，与二级波导分支结构输入端连接；所述二级波导分支结构与一级波导分支结构相同，将一级波导支路分成四个二级波导支路，之后分别通过135度圆弧段矩形波导转弯结构转弯，使得四个二级波导支路输出方向间隔90度；四个二级波导支路分别与二级波导过渡段连接，转换成标准矩形波导输出，最后与四极波导TE₀₁模式转换结构输入端口连接。

所述四极波导TE₀₁模式转换结构为截面口径渐变的四极波导结构，其横截面边缘轮廓的函数表达式为：r₀+a₁cos(4t)，其中r₀为截面平均半径，a₁为扰动因子。其中a₁随高度增加而减小。需要注意的是，a₁的减小可以是线性变化也可以是非线性变化。四极波导TE₀₁模式转换结构底部的四个凸起处分别设置有一标准矩形波导输入端口，与矩形功分网络的输出端相连接。四极波导TE₀₁模式转换结构底部设置还有锥形多级圆台结构进行阻抗匹配，以实现更高的传输效率和工作带宽。其中各级圆台的半径逐级递减，匹配结构总高度不超过输入标准矩形波导的长边。

所述四极波导-圆波导过渡结构为截面口径渐变的波导结构，其输入端与四极波导TE₀₁模式变换结构输出端相连接。在四极波导-圆波导过渡结构中，其横截面边缘轮廓的函数表达式也为：r₀+a₁cos(4t)，a₁随高度的增加而减小为0，r₀也随高度的增加而变化为r₁，使得输出端最终变换到半径为r₁的圆波导；需要注意的是，a₁和r₀的变化可以是线性变化也可以是非线性变化。

本发明的设计理论如下：

从标准矩形波导输入的TE₁₀模式电磁波先输入到矩形波导功分网络，经过一级波导分支结构被分成两个等幅反相的TE₁₀模，经过波导连接段以及波导过渡段进入二级波导分支结构，分成四个等幅的TE₁₀模，其中相邻的两个TE₁₀模为同相，相对的两个TE₁₀模为反相；产生的四路TE₁₀模通过四极波导TE₀₁模式转换结构的四个凸起部分同时注入，在四极波导TE₀₁模式转换结构中激励起对应的TE₀₁模式。由于在四极波导中，各个模式之间的间隔较圆波导更宽，因此可以高效地激励起工作模式，进而有效抑制其他模式的产生。同时放置在四极波导TE₀₁模式转换结构底部的锥形多级圆台结构可以实现较好的阻抗匹配，降低了功分网络带来的影响，在宽频带内实现了TE₁₀模式到TE₀₁模式的高效转换。最后，四极波导TE₀₁模式转换结构中的TE₀₁模通过四极波导-圆波导过渡结构渐变为圆波导TE₀₁模，实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₀₁模式的转换。

本发明的有益效果如下：

本发明通过使用四极波导TE₀₁模式转换结构，可以有效完成矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₀₁模式的转换，并且能够有效抑制寄生模式的产生，使得整个模式变换器具有的高效率、高纯度、宽频带的特点。此外，本发明的波导模式变换器结构紧凑，简单，易于加工和装配，具有很好的工程实用性。

附图说明

图1是本发明的腔体结构示意图

图2是本发明的锥形多级匹配圆台示意图

图3本发明功分结构***金属膜片示意图

图4是本发明的传输性能和反射参数仿真结果示意图

图5是本发明的输出模式纯度仿真结果示意图

其中，附图标记为：1-1一级波导分支结构，1-2一级波导过渡段，1-2一级波导连接段，2-1二级波导分支结构，2-2二级波导过渡段，2-3二级波导连接段，3-1四级波导TE₀₁模式转换结构，3-2多级锥形圆台匹配结构，4四极波导-圆波导过渡结构。

具体实施方式

下面基于上述的理论和设计要点，设计了一个工作在Ka波段的矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器并结合附图，对本发明的优势作进一步说明，但本发明并不局限于该实实例。

如附图1所示，本发明是一种矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器，包括矩形波导功分网络，四极波导TE₀₁模式转换结构，以及四极波导-圆波导过渡结构。矩形波导功分网络四个输出支路与四极波导TE₀₁模式转换结构四个凸起处的输入端口垂直连接；四极波导-圆波导过渡结构实现圆波导输出。

其中具体结构如下：

所述矩形波导功分网络输入为BJ320矩形波导(7.112mm*3.556mm)，由两级波导分支结构、波导连接段、以及波导过渡段组成。一级波导分支结构为T型功分结构，通过半径为2.6mm的90度圆弧段矩形转弯波导进行90度转弯，将输入的BJ320矩形波导分为两个反相、且窄边为1.778mm的波导支路；在一级波导分支结构中间凸起位置设置有长(L)1mm，宽(W)0.147mm的金属膜片，以扩宽工作带宽。在一级波导分支结构的两个输出端口分别放置有一级矩形波导过渡段，将两个一级波导支路线性渐变为BJ320波导；后接的波导连接段包含两个半径为5.8mm的90度圆弧段矩形波导转弯结构，使两个一级支路完成180度转弯，与二级波导分支结构输入端口连接；二级波导分支结构与一级相同，分别通过半径为2.6mm的135度圆弧段矩形波导转弯结构转弯，使得四个波导支路输出方向间隔90度；这四个支路通过二级波导过渡段转换成BJ320波导，最后与四极波导TE₀₁模式转换结构输入端口连接。

所述四极波导TE₀₁模式转换结构为截面口径渐变的波导结构，其横截面边缘轮廓的函数表达式为：r₀+a₁cos(4t)，其中r₀为6.55mm，a₁为1.842mm。其中a₁随高度增加而线性减小为1mm。四极波导TE₀₁模式转换结构的四个凸起部分设置四个BJ320矩形波导输入口，与矩形功分网络的四个波导支路相连接。模式转换结构底部设置锥形三级圆台结构进行阻抗匹配，其中一级圆台半径为4.68mm，高度为0.67mm；二级圆台半径为3mm，高度为1.4mm，第三级圆台半径为1.5mm，高度为0.82mm。

所述四极波导-圆波导过渡结构为截面口径渐缩的波导结构，其输入端与四极波导TE₀₁模式转换结构输出端平滑连接，在过渡结构中，其横截面边缘轮廓的函数表达式也为：r₀+a₁cos(4t)，a₁随高度的增加而线性减小为0，r₀也随高度的增加而线性变化为6.6mm，使得输出端最终变换到半径为6.6mm的圆波导。

本发明的工作原理如下：

从BJ320矩形波导输入的TE₁₀模式电磁波先输入到矩形波导功分网络，经过一级功分结构被分成两个等幅反相的TE₁₀模，经过波导连接段进入二级功分结构，经过二级功分结构分成四个等幅的TE₁₀模，其中相邻的两个TE₁₀模为同相，相对的两个TE₁₀模为反相；产生的四路TE₁₀模通过模式转换结构的四个凸起部分同时注入，在四极波导中产生TE₀₁模式。在四级波导中各个模式之间的间隔很宽，因此其余模式的产生受到抑制，输出为纯净的TE₀₁模式。同时，模式转换结构底部匹配圆台结构降低了反射，在宽频带内实现了TE₁₀模式到TE₀₁模式的高效转换。最后，四极波导中的TE₀₁模通过四极波导-圆波导过渡结构渐变为圆波导TE₀₁模，实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₀₁模式的转换。

图3为矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器转换效率及其输入端口反射,在32GHz-38GHz内TE₀₁模的转换效率均高于98％，其中转换效率最高达到99.5％；表明本发明能够在宽频带内实现矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式的高效转换。

图4为仿真所得矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器纯度，在32GHz-38GHz内TE₀₁模的纯度高于99.4％，表明本发明输出基本全部为圆波导TE₀₁模式。

以上实例仅为方便说明本发明，本发明同样可以适用于其他频段的矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器上，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器，其特征在于：包括矩形波导功分网络，四极波导TE₀₁模式转换结构，以及四极波导-圆波导过渡结构；

所述矩形波导功分网络输入端为标准矩形波导，输出端为输出方向间隔90度的四个标准矩形波导，且输出端与四极波导TE₀₁模式转换结构输入端口连接；

所述四极波导TE₀₁模式转换结构为截面口径渐变的四极波导结构，其横截面边缘轮廓的函数表达式为：r₀+a₁cos(4t)，其中r₀为截面平均半径，a₁为扰动因子，a₁随高度增加而减小；四极波导TE₀₁模式转换结构底部的四个凸起处分别设置有一标准矩形波导输入端口，与矩形功分网络的输出端相连接；四极波导TE₀₁模式转换结构底部还设置有锥形多级圆台结构；其中各级圆台的半径逐级递减，总高度不超过输入标准矩形波导的长边；

所述四极波导-圆波导过渡结构为截面口径渐变的波导结构，其输入端与四极波导TE₀₁模式变换结构输出端连接；在四极波导-圆波导过渡结构中，其横截面边缘轮廓的函数表达式也为：r₀+a₁cos(4t)，a₁随高度的增加而减小为0，r₀随高度的增加而变化为r₁，使得输出端最终变换到半径为r₁的圆波导。

2.如权利要求1所述的一种矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器，其特征在于：所述矩形波导功分网络包括两级波导分支结构、波导连接段、以及波导过渡段。

3.如权利要求2所述的一种矩形波导TE₁₀模-圆波导TE₀₁模式转换器，其特征在于：所述矩形波导功分网络的一级波导分支结构为T型功分结构，将输入标准矩形波导分为两个窄边长度减半的一级波导支路，所述一级波导分支结构中间凸起位置设置有金属膜片；所述一级波导分支结构的两个输出端口分别设置有一级矩形波导过渡段，将两个一级波导支路渐变为标准波导输出；一级矩形波导过渡段后接的波导连接段包含一段矩形波导连接段、以及两段四分之一圆弧形矩形波导转弯结构，使两个一级波导支路完成180度转弯，与二级波导分支结构输入端口连接；所述二级波导分支结构与一级波导分支结构相同，将一级波导支路分成四个二级波导支路，之后分别通过135度圆弧段矩形波导转弯结构转弯，使得四个二级波导支路输出方向间隔90度；四个二级波导支路分别与二级波导过渡段连接，转换成标准矩形波导输出，最后与四极波导TE₀₁模式转换结构输入端口连接。