CN110165348B - 一种大功率毫米波te01模滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率毫米波TE₀₂模滤波器，属于大功率毫米波传输技术领域。该滤波器包括模式滤除段和对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段；输入/输出过渡段将圆波导和模式滤除段相互连接，实现圆波导中TE_0n模和类圆波导中准TE_0n模的转换；模式滤除段包括主波导和其***均匀设置的四个吸波腔；主波导和吸波腔之间分别通过沿轴向设置的四个带状辐射孔连通。本发明滤波器采用基于过模的波导结构，功率容量大，且能在宽频带范围内对TE₀₂模实现滤波，对于TE₁₁、TM₁₁、TE₂₁模也具有滤除一定的效果，而不影响TE₀₁模的传播。同时，本发明滤波器结构简单，易于加工、装配简便。

Description

一种大功率毫米波TE01模滤波器

技术领域

本发明属于大功率毫米波传输技术领域，具体涉及一种用于大功率毫米波传输链路TE₀₁模的滤波器。

背景技术

回旋行波管具有高增益、宽频带和高功率等特点，是毫米波波段唯一能实现大功率输出的宽带功率源，在成像雷达、毫米波通信***和电子对抗、微波武器等领域有着非常广阔的应用前景。圆波导TE₀₁模呈环状分布，具有能量集中在波导中心、边缘场较弱的特点，是回旋行波管常用的工作模式。为了避免发生功率击穿和降低传输损耗，实现回旋行波管与天线对接的大功率传输线需采用过模圆波导结构。在传输线上，基于过模波导的功能器件的使用会激励起寄生模式。过渡波导、斜角弯头等由于波导径向的变化，会将TE₀₁模部分转换成TE₀₂模、TE₀₃模等高阶模式；而模式变换器的存在则会产生TE₁₁模、TM₁₁模、TE₂₁模等非工作模式。这些寄生模式的存在会给***带来一系列不良的影响。对于TE₀₂模、TE₀₃模等高阶模式而言，由于渐变波导的存在会使得大功率传输线不均匀，使得其被截止，从而形成局部谐振。谐振会使得在局部场强陡增，发生空气击穿，破坏***工作。同时击穿时会形成全反射，导致产生的能量反射回到功率源，容易损害功率源。对于TE₁₁模、TM₁₁模、TE₂₁模等低阶模式而言，在沿着大功率传输线向前传播的过程中，一方面由于相位变换的关系会使得场强得到增强，降低传输功率容量的阈值；另一方面由于边缘场强的缘故会使得波纹槽波导结构的馈源容易发生击穿，从而影响***的正常工作。为了保障大功率毫米波***稳定工作，必须滤除产生的这些非工作模式。因此，非工作模式滤波器对于实现大功率毫米波***应用尤为必要。

较圆波导TE₁₁模、TM₁₁模、TE₂₁模不同的是，TE₀₂模的场分布呈圆环状分布，不能被基于波纹槽结构的滤波器有效滤除。为了在滤除TE₀₂模的同时，实现工作模式TE₀₁模的高效传输，必须对过模圆波导TE₀₁模滤波器进行研究。日本的Koichi Inada和Sakura设计了一种圆弧多边形波导(No.3,916,355,United States patent)。这种波导能在不影响TE₀₁模的同时，将TE₀₁模以外的TE_0n模转变成其他高次的TE_mn模式。这种波导与后接的螺旋波导就能组成一个TE₀₁模滤波***。但是，这种由两个不同形状的波导加上连接处渐变段组合而成的滤波器无疑具有较大的尺寸，而且这种滤波器在60GHz以下的频段对TE₀₂模的滤波效果比较差。此后，日本Yokosuka Electrical Communication Laboratory的K.Hashimoto,S.Shimada和M.Koyama通过在波导中引入介质插片结构，将圆波导变成为一组不对称半圆波导(Circular TE_On Mode Filters For A Guided Millimeters Transmission)。环状分布的高阶模式TE_0n(n≥2)模进入器件后，会被***成一对半圆波导中的对应模式。由于上下半圆波导的不对称性，使得传播相位不一致，在输出端半圆波导中的模式相位相差180°，从而叠加时并在器件末端将之合成从而达到滤波效果。这种滤波器虽然能有效的滤除TE_0n(n≥2)模，但是介质内嵌、多段不对称的复杂结构给加工带来极大的加工难度。同时，这种滤波器只能工作在40GHz以上的高频段。在低频段工作时，由于相移大小的改变，在滤波器输出端反而会出现更多的组合模式。

发明内容

针对现有模式滤波器结构复杂、滤波性能较差等问题，本发明提出一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器技术方案。

本发明采用的技术方案如下：

一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，包括模式滤除段和对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段。

所述输入/输出过渡段将圆波导和模式滤除段相互连接，其变化方式可以为线性过渡，也可以为非线性过渡，实现圆波导中TE_0n模和类圆波导中准TE_0n模的高效转换。

所述模式滤除段包括主波导和其***均匀设置的四个吸波腔。其中，所述主波导内横截面为类圆波导，主波导和吸波腔之间分别通过沿轴向设置的四个带状辐射孔连通。所述类圆波导，是在圆波导角向施加均等扰动后，所得到带有四个对称凸起的圆波导。

所述四个带状辐射孔分别位于主波导内壁的凹陷处。所述带状辐射孔两端可以为半圆形、半椭圆形或者尖劈形，目的是降低在主波导壁上开孔所带来的结构突变造成的影响。为了保障足够的机械强度，带状辐射孔的厚度需大于0.5mm。

所述吸波腔为侧面开口的圆柱形腔体结构。腔体外侧为一层高损介质材料层(ε_r>9),高损介质材料层外侧为波导壁。吸波腔长度大于带状辐射孔长度四个波长。所述波导壁长度与吸波腔的一致，宽度大于带状辐射孔宽度2倍以上，以实现对辐射出来的电磁能量有效吸收。为了方便固定，吸波腔与主波导的连接面为平面。从带状辐射孔中辐射出的TE₀₂模在高损介质材料上多次反射后，最终被完全吸收。

所述波导壁材料为金属，设置有散热装置，以降低衰减材料吸收寄生模式引起的温升。

所述输入过渡段、输出过渡段分别通过凹凸法兰与前、后端圆波导相接。

所述输入过渡段、输出过渡段材料为铝材或铜材，模式滤除段材料为铜材。

发明的TE₀₁模滤波器工作原理如下：

从前端输入的圆波导模式经过输入过渡段过渡后，转换成模式滤除段中主波导中模式。在模式滤除段，由于工作模式与寄生模式场分布不一样，使得带状辐射孔可以有效切断TE₀₂模等寄生模式的表面电流，实现对外辐射，而不影响TE₀₁模的传播。较TE₁₁、TM₁₁、TE₂₁模等低阶模式而言，类圆波导TE₀₂更接近截止，这使得它更容易辐射出来。辐射出的电磁能量以一定偏角照射进入吸波腔后，在高损衰减介质表面经过多次来回反射被完全吸收。对于工作模式TE₀₁模而言，带状辐射孔所处位置为弱场强区，带状辐射孔对其向前传播没有影响。因此，经过模式滤除段后，主波导中TE₀₁模进入输出过渡段后，被转换成圆波导TE₀₁模。由于输入端的混合模式经过模式滤除段后，非工作模式得到有效吸收，所以滤波器的输出端口的波束只有工作模式，保障波束的传输纯度。

本发明具有以下优势：

1.本发明滤波器采用基于过模的波导结构，功率容量大，且能在宽频带范围内对TE₀₂模实现滤波，而不影响TE₀₁模的传播。

2.本发明滤波器除了能有效滤除TE₀₂模等高阶模式外，对于TE₁₁、TM₁₁、TE₂₁模也具有滤除一定的效果，适用范围广。

3.本发明滤波器为密闭的波导结构，具有良好的电磁屏蔽效果，不会影响周围环境。

4.本发明滤波器结构简单，易于加工、装配简便。

附图说明

图1为本发明的大功率毫米波TE₀₁模滤波器的剖面图；其中1，3为过渡段，2为模式滤除段，4为带状辐射孔。

图2为本发明的大功率毫米波TE₀₁模滤波器的模式滤除段的正视图；其中5为高损介质材料层，6为波导壁，7为主波导。

图3为带状辐射孔与高损介质材料层的连接示意图。

图4为TE₀₁模和TE₀₂模的传输特性。

图5为TE₀₁模和TE₀₂模的驻波特性。

具体实施方式

下面结合上述理论基础和设计要点举例进行说明。

如附图1所示，本实施例的TE₀₁模滤波器工作在Ka频段，包括三个部分：模式滤除段2，对称设置于其两端的输入过渡段1和输出过渡段3。

滤波器输入输出接口为圆波导，口径为32mm。输入输出过渡段与模式滤除段采用线性过渡的方式进行连接，过渡段长度为180mm。整个滤波器长度为500mm。模式滤除段包括主波导和其***均匀设置的四个吸波腔。其中，所述主波导内横截面为类圆波导，主波导和吸波腔之间分别通过沿轴向设置的四个带状辐射孔4连通。所述类圆波导，是在圆波导角向施加均等扰动后，所得到带有四个对称凸起的圆波导。带状辐射孔4位于主波导凹陷中央，且两端采用半圆结构进行过渡以减少带状辐射孔对波导的影响。吸波腔外侧的高损介质材料层5为氧化铍，其外半径为8.5mm，内半径为6.8mm，长度为120mm。高损介质材料层5外侧为金属波导壁6，起结构支撑和散热的作用。金属波导壁外侧设置有水冷结构，通过接口8与外界相连。波束从输入端口通过输入过渡段1进入滤波器后，非工作模式TE₀₂模会经带状辐射孔4辐射出传输链路，被设置的高损介质材料层5吸收；工作模式TE₀₁模则不受带状辐射孔4的影响，高效向前传输。从模式滤除段2输出的波束经输出过渡段3后对外实现输出。整个模式滤波器通过凹凸法兰与其他传输器件相接。

图4给出了模式滤波器TE₀₁、TE₀₂两种模式的电压传输系数曲线，图5给出了两者的电压反射系数曲线。由图可见，在器件中TE₀₁模的电压传输系数大于-0.1dB，电压反射系数小于-40dB，实现了在低反射的情况下高效地、低损耗地传输；而TE₀₂模的电压传输系数在大部分Ka频段都小于-20dB，反射系数同样小于-20dB，说明TE₀₂模大部分已经通过辐射缝辐射出链路。因此可以得出结论，所设计的滤波器表现了良好的滤波特性。

将上述实例进行加工制作，运用于回旋行波管***，有效地对传输链路上产生的TE₀₂模式进行了滤除，避免功率击穿现象的发生，保证了大功率毫米波***的稳定工作。

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过模类圆波导TE₀₁模模式滤波器上，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 (7)

1.一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，包括模式滤除段和对称设置于其两端的输入/输出过渡段；

所述滤波器的输入/输出接口为圆波导，所述输入/输出过渡段将圆波导和模式滤除段相互连接，所述输入/输出过渡段分别与前、后圆波导相接，实现圆波导中TE_0n模和类圆波导中准TE_0n模的转换；

所述模式滤除段包括主波导和其***均匀设置的四个吸波腔；其中，所述主波导为类圆波导，其内横截面为类圆形；主波导和吸波腔之间分别通过沿轴向设置的四个带状辐射孔连通；所述类圆波导，是在圆波导角向施加均等扰动后，所得到带有四个对称凸起的圆波导；所述四个带状辐射孔分别位于主波导内壁的凹陷处；

所述吸波腔为侧面开口的圆柱形腔体结构；腔体外侧为一层高损介质材料层，其介电常数ε_r>9,高损介质材料层外侧为波导壁；所述吸波腔长度大于带状辐射孔长度四个波长，波导壁长度与吸波腔一致，宽度大于带状辐射孔宽度2倍。

2.如权利要求1所述的一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，其特征在于：所述输入/输出过渡段其变化方式为线性过渡，或者为非线性过渡。

3.如权利要求1所述的一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，其特征在于：所述吸波腔与主波导的连接面为平面。

4.如权利要求1所述的一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，其特征在于：所述带状辐射孔两端为半圆形、半椭圆形或者尖劈形，带状辐射孔的厚度大于0.5mm。

5.如权利要求1所述的一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，其特征在于：所述波导壁材料为金属，外侧设置有水冷散热装置。

6.如权利要求1所述的一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，其特征在于：所述输入/输出过渡段分别通过凹凸法兰与前、后端圆波导相接。

7.如权利要求5所述的一种大功率毫米波圆波导TE₀₁模滤波器，其特征在于：所述输入/输出过渡段材料为铝材或铜材，模式滤除段材料为铜材。

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