CN110289465A - 一种用于高阶过模平面慢波结构冷腔测试的TE10-TEn0模式变换器 - Google Patents

一种用于高阶过模平面慢波结构冷腔测试的TE10-TEn0模式变换器 Download PDF

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舒国响
何文龙
曹利红
刘国
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    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/16—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion
    • H01P1/163—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion specifically adapted for selection or promotion of the TE01 circular-electric mode

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Abstract

本发明提供了一种用于高阶过模平面慢波结构冷腔测试的TE10‑TEn0模式变换器，包括输入端口一、输入矩形波导、匹配台阶、过渡矩形波导、反射谐振腔、(n‑1)个分支波导、过模输出矩形波导和输出端口二，基模TE10从输入端口一输入，在输出端口二输出TEn0模，过渡矩形波导通过多分支波导和过模输出矩形波导相连，过渡矩形波导和每个分支波导构成了1个E‑T接头，每个分支波导和过模矩形波导也构成了1个E‑T接头的结构。本发明通过引入匹配台阶降低端口一的反射系数；通过引入反射谐振腔有利于提高电磁波的传输；有利于提高模式变换效率；通过改变分支个数(n‑1)可以获得工作在TEn0模的模式变换器；能够为高阶模平面慢波结构的冷腔测试提供模式变换装置。

Description

一种用于高阶过模平面慢波结构冷腔测试的TE10-TEn0模式变 换器
[技术领域]
本发明属于微波技术、真空电子技术领域，具体涉及一种用于毫米波/太赫兹高阶过模平面慢波结构冷腔测试的模式变换器。
[背景技术]
近年来，毫米波/太赫兹波技术是一个研究热点，由于具有波长短、频率高和带宽宽等特点，在诸多军民应用领域中有着广泛的应用前景，包括安检成像、高数据率通信、无损检测和高精度雷达探测等。毫米波/太赫兹波的产生和放大是太赫兹应用***中的关键科学技术。基于带状电子注的真空电子器件能够通过扩大电子注的宽边尺寸来增大电子注面积，从而提高电子注的面积。和圆形电子注器件相比，带状电子注器件的输出功率能够提高一个数量级，近年来受到了广泛的关注。平面慢波结构是带状电子注器件的一个核心部件，它的性能好坏将对整管产生重要的影响。通常情况下，平面慢波结构工作在低阶模。当平面慢波结构工作在高阶模时，能够通过增大慢波结构的几何尺寸来提高功率容量和散热面积。当利用多带状电子注驱动高阶模平面慢波结构时，有利于提高输出功率。本专利的第一申请人提出了两种新型的高阶模平面慢波结构。在(“基于正交栅齿波导和多带状电子注的高阶模太赫兹辐射源的模拟研究”(Opt.Express)，2018年，26卷，7期，8040-8048页，作者：G.X.Shu,G.Liu,and Z.F.Qian)提出了金属柱加载的单栅慢波结构。在(“基于高阶模和带状双电子注的太赫兹返向波辐射”(J.Phys.D Appl.Phys.)，2018年，51卷，5期，055107-1-055107-6页，作者：G.X.Shu,G.Liu,L.Chen等)中，提出了金属脊加载的交错栅慢波结构。然而，当对高阶模平面慢波结构进行冷腔测试时，由于测试中所采用的矢量网络分析仪输出的电磁波工作在基模TE10模，需要借助模式变换器将基模TE10模转换为高阶模TEn0(n＝2,3,4...)模，方能完成测试。据专利申请人所知，目前用于高阶过模平面慢波结构的模式变换器甚少。模式变换器的性能好坏将直接影响着冷腔测试的准确度。一个优良的模式变换器需要具备低端口反射和高转换效率等特性。本发明提出了一种基于多分支波导的TE10-TEn0模式变换器，可用于高阶过模平面慢波结构的冷腔测试。
[发明内容]
本发明的目的在于：获得一个具有低端口反射系数和高模式转换率，可用于高阶过模平面慢波结构冷腔测试的TE10-TEn0模式变换器。
本发明具体采用如下技术方案：
一种用于高阶过模平面慢波结构冷腔测试的TE10-TEn0模式变换器，该模式变换器基于多分支波导，包括输入端口一、输入矩形波导、匹配台阶、过渡矩形波导、反射谐振腔、(n-1)个分支波导、过模输出矩形波导和输出端口二，基模TE10从输入端口一输入，在输出端口二输出TEn0模，过渡矩形波导通过多分支波导和过模输出矩形波导相连，过渡矩形波导和每个分支波导构成了1个E-T接头，每个分支波导和过模矩形波导也构成了1个类似E-T接头的结构。
进一步地，在输入波导和过渡矩形波导之间引入1个匹配台阶。
进一步地，在过渡矩形波导的末端引入1个反射谐振腔。
进一步地，在过渡矩形波导的E面下方并排放置多个分支波导。
进一步地，在分支波导与输出端口二之间有1个过模输出矩形波导。
进一步地，使得过模输出矩形波导的末端和分支波导的末端之间有一段距离L,两者并不齐平。
进一步地，调整相邻分支波导的间距d为半波导波长的整数倍，从而使得通过相邻分支波导的电磁波具有等幅反相的特性。
由E-T接头的电磁波特性可知：当电磁波从E-T接头的主分支波导输入时，将在E-T接头的两个次分支波导获得等幅反相的电磁波。另外，由于相邻分支波导的间距d为半波导波长的整数倍。因此,可以保证输出电磁波沿着过模输出矩形波导的宽边方向具有等幅反相的分布，从而获得所需的TEn0模。
本发明的有益效果为：
(1)通过引入匹配台阶降低端口一的反射系数；
(2)通过引入反射谐振腔有利于提高电磁波的传输；
(3)通过优化获得相邻分支等幅反相的电磁波特性，有利于提高模式变换效率；
(4)通过改变分支个数(n-1)可以获得工作在TEn0模的模式变换器；
(5)能够为高阶模平面慢波结构的冷腔测试提供模式变换装置。
[附图说明]
图1是本发明实施例1中基于多分支波导的TE10-TE20模式变换器的结构示意图；
其中，1表示输入端口一；2表示输入波导；3表示匹配台阶；4表示过渡矩形波导；5表示反射谐振腔；6表示分支波导；7表示过模输出矩形波导；8表示输出端口二。
图2是本发明实施例2中基于多分支波导的TE10-TE50模式变换器的结构示意图；
其中，1表示输入端口一；2表示输入波导；3表示匹配台阶；4表示过渡矩形波导；5表示反射谐振腔；61表示第一多分支波导；62表示第二多分支波导；63表示第三多分支波导；64表示第四多分支波导；7表示过模输出矩形波导；8表示输出端口二。
图3是本发明实施例1中基于多分支波导的TE10-TE20模式变换器端口1和端口2的反射系数的幅频特性曲线；
图4是本发明实施例1中基于多分支波导的TE10-TE20模式变换器的模式转换效率曲线；
图5是本发明实施例2中基于多分支波导的TE10-TE50模式变换器端口1和端口2的反射系数的幅频特性曲线；
图6是本发明实施例2中基于多分支波导的TE10-TE50模式变换器的模式转换效率曲线。
[具体实施方式]
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例以工作在Q频段的基于分支波导的TE10-TE20模式变换器为例。其结构如图1所示，主要包括：用以输入基模TE10的输入端口一1，和输入端口一1相连的输入波导2，匹配台阶3，过渡矩形波导4，和过渡矩形波导4相连的一个分支波导6，和分支波导6相连的过模输出矩形波导7和输出端口二8，以及为了提高转化效率在过渡矩形波导4末端下方加入了反射谐振腔5。过模输出矩形波导7的末端和分支波导6的末端之间有一段距离L,两者并不齐平。
图3给出了本实施例提供的模式变换器的输入端口一1的TE10模的反射系数(S1(1),1(1))、输出端口二8的TE20模反射系数(S2(2),2(2))的幅频特性曲线。由图3可知：在43.1-47.6GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为4.5GHz。在43.1-47.6GHz频率范围内，S2(2),2(2)小于-15dB,带宽为4.5GHz。S1(1),1(1)和S2(2),2(2)小于-10dB的带宽分别为5.08GHz和5.13GHz。
图4给出了本实施例提供的模式变换器的模式转换效率曲线。由图4可知：在42.8-48.0GHz的频率范围内，转化效率高于95％，带宽为5.2GHz。在42.5-48.1GHz频率范围内，转化效率高于90％，带宽为5.6GHz。
实施例2
本实施例以工作在太赫兹波段的基于多分支波导的TE10-TE50模式变换器为例。其结构如图2所示,主要包括：用以输入基模TE10的输入端口一1，1个输入波导2，1个用于减少端口反射的匹配台阶3，与匹配台阶3相连的过渡矩形波导4，1个反射谐振腔5，4个多分支波导分别为第一多分支波导61，第二多分支波导62，第三多分支波导63，第四多分支波导64，一个过模输出矩形波导7和输出端口二8。另外，相邻分支波导的间距d为半波导波长的整数倍，过模输出矩形波导7的末端和4个多分支波导6的末端之间有一段距离L,两者并不齐平。
图5给出了本实施例提供的模式变换器的端口一1的TE10模的反射系数(S1(1),1(1))、端口二8的TE20模反射系数(S2(5),2(5))的幅频特性曲线。由图5可知：在228.9-244.5GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为15.6GHz。在230.5-244.5GHz频率范围内，S2(5),2(5)小于-15dB,带宽为14GHz。S1(1),1(1)和S2(5),2(5)小于-10dB的带宽分别为18.7GHz和17.5GHz。
图6给出了本实施例提供的模式变换器的模式转换效率曲线。由图6可知：在232.1-245.6GHz的频率范围内，转化效率高于95％，带宽为13.5GHz。在231.8-246.6GHz频率范围内，转化效率高于90％，带宽为14.8GHz。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明适用于微波至亚毫米波的多个频带，包括X、Ku、Ka、Q、W、D和G频段等。
本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明广泛描述的精神和范围的情况下，可以对在本发明所示的具体实施方式进行多个变形或修改。因此，所述的实施方式从所有方面考虑应被认为是说明性的而不是限制性的。
除非特别说明，对于在此所包含的现有技术的任何参考不应该被认为是对该信息为公知常识的承认。

Claims (7)

1.一种用于高阶过模平面慢波结构冷腔测试的TE10-TEn0模式变换器，其特征在于，包括输入端口一、输入矩形波导、匹配台阶、过渡矩形波导、反射谐振腔、(n-1)个分支波导、过模输出矩形波导和输出端口二，基模TE10从输入端口一输入，在输出端口二输出TEn0模，过渡矩形波导通过多分支波导和过模输出矩形波导相连，过渡矩形波导和每个分支波导构成了1个E-T接头，每个分支波导和过模矩形波导也构成了1个E-T接头的结构。
2.根据权利要求1所述的TE10-TEn0模式变换器，其特征在于，在输入波导和过渡矩形波导之间引入1个匹配台阶。
3.根据权利要求1所述的TE10-TEn0模式变换器，其特征在于，在过渡矩形波导的末端引入1个反射谐振腔。
4.根据权利要求1所述的TE10-TEn0模式变换器，其特征在于，在过渡矩形波导的E面下方并排放置多个分支波导。
5.根据权利要求1所述的TE10-TEn0模式变换器，其特征在于，在分支波导与输出端口二之间有1个过模输出矩形波导。
6.根据权利要求1所述的TE10-TEn0模式变换器，其特征在于，使得过模输出矩形波导的末端和分支波导的末端之间有一段距离L,两者并不齐平。
7.根据权利要求1所述的TE10-TEn0模式变换器，其特征在于，调整相邻分支波导的间距d为半波导波长的整数倍，从而使得通过相邻分支波导的电磁波具有等幅反相的特性。
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