CN110767962B - 一种圆波导tm11模式激励器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆波导TM₁₁模式的模式激励器，属于大功率毫米波测试技术领域。该模式激励器包括功分结构、耦合激励结构和输出结构。TE₁₀模通过功分结构后，被分成幅度相等、相位相差180°的两组TE₁₀模到达耦合端。在耦合端，两组矩形波导TE₁₀模分别被耦合激励结构的两个耦合探针高效耦合进入到脊间隙波导，转换为两组幅度相等、相位相差180°的脊间隙波导准TEM模式，被脊间隙波导分别传输到两个激励探针处，并通过激励探针在输出结构的激励端激励起一组等幅反相的TEM波。这组TEM波经过矢量合成后成为圆波导TM₁₁模，经由输出端口输出圆波导传输链路中。本发明的模式激励器可以在宽带内产生圆波导TM₁₁模式，模式纯度高，传输损耗小，结构紧凑，有利于***的集成。

Description

一种圆波导TM11模式激励器

技术领域

本发明属于大功率毫米波测试技术领域，具体来说，涉及一种用于产生圆波导TM₁₁模式的模式激励器。

背景技术

回旋行波管具有高增益、宽频带和高功率等特点，在成像雷达、毫米波通信***、电子对抗和微波武器等领域有着非常广阔的应用前景。回旋行波管常用的工作模式TE₀₁模不适合直接作为馈源辐射模式，需要转换成高斯波束。当前，常用来实现圆波导TE₀₁模向高斯波束或类高斯场HE₁₁模式的模式变换序列有以下两种方式：TE₀₁→TE₁₁→HE₁₁和TE₀₁→TM₁₁→HE₁₁。较前一种转换序列而言，采用TM₁₁作为中介模式的转换序列在工作带宽和结构体积上存在显著优势。这是因为TE₀₁和TM₁₁在圆波导互为简并模式，两者耦合能力强。因而，采用TM₁₁作为中介模式的转换序列在宽带大功率毫米波***应用中受到青睐。此外，TM₁₁模也作为在回旋自谐振脉塞(CARM)***如回旋振荡管和回旋反波振荡管的工作模式。为了检验研制的大功率毫米波模式转换链路或者大功率振荡源部件的性能，必须研制相应的小功率模式激励器，对单个传输器件进行性能测试。因此，研制高性能的TM₁₁模式激励器对大功率毫米波应用具有非常重要的意义。

目前，国内外研究者主要通过模式变换的方法来间接产生TM₁₁模式，而不是直接将信号源输出矩形波导TE₁₀模式转换成圆波导TM₁₁模。Manfred Thumm提出了一种基于过模波导弯头的TM₁₁模式的产生方法(“Optimized overmoded TE₀₁-to-TM₁₁ mode convertersfor high-power millimeter wave applications at 70 and 140 GHz”,Int.J.Infraredand Millimeter Waves,vol.7,no.10,1986)。这种方法通过优化波导弯头的转弯角度来可以高效的实现圆波导TE₀₁模到TM₁₁模的转换。后来的研究者如Amit Patel(“High powermillimeter-wave TE₀₃ to TM₁₁ mode converters”,Int.J. Electronics,vol.₁₀6,no.8,2019)和Zewei Wu(“Study of a 90-degree TE₀₁-TM₁₁ oversized mode converter”,Int.Vacc.Electronics Conf.2018)也基本沿用了这种设计思路。这种方法能有效的将圆波导TE₀₁模转换成TM₁₁模式。但是前提是需要将信号源输出的矩形波导TE₁₀模转换成圆波导TE₀₁模。因此，这种采用两级变换的方式存在***复杂，加工成本高、转换效率低等问题。

发明内容

针对现有TM₁₁模式变换器的变换链路较长，紧凑化应用困难，链路整体误差较大等问题，本发明提出一种新型圆波导TM₁₁模式激励器。

本发明采用的技术方案如下：

一种圆波导TM₁₁模式激励器，包括功分结构、耦合激励结构和输出结构。

所述功分结构为基于矩形波导的一分二功分器，其输入端口为标准矩形波导，与矩形波导传输线连接，其两个输出端为末端被短路壁封闭的矩形波导耦合端，矩形波导耦合端的E面波导壁上设置有探针空窗，耦合探针通过探针空窗***矩形波导耦合端。

所述耦合激励结构包括两个脊间隙波导、以及分别设置于脊间隙波导两端的耦合探针与激励探针。

所述输出结构为一端被短路壁封闭的圆波导，所述短路壁上设置有探针空窗，激励探针通过探针空窗***输出结构，所述圆波导另一端为输出端口，与圆波导传输链路连接。

进一步地，所述基于矩形波导的一分二功分器包括矩形波导E面T形结、渐变段和基于标准矩形波导的转弯结构。所述矩形波导E面T形结包括一个输入端口、两个输出端口和匹配尖劈；所述输入端口为标准矩形波导，与矩形波导传输线连接；所述两个输出端口为非标准矩形波导，通过渐变段实现与转弯结构连接；所述匹配尖劈为等边三角形，位于E面T形结底部中心，实现输出端口和输入端口的匹配。所述转弯结构由对称放置的矩形波导弯头和直波导组成，转弯结构末端为相向的两个耦合端。所述耦合端是一端被短路壁封闭的矩形波导，矩形波导耦合端的E面波导壁上设置有探针空窗。

所述脊间隙波导，可以传导准TEM模，所述耦合探针为梯形，与脊间隙波导的脊相连接，并通过探针空窗***功分结构耦合端，实现矩形波导TE₁₀模与脊间隙波导准TEM模的高效转换。所述激励探针也为梯形，与脊间隙波导的脊连接。为了保证机械强度，探针的厚度应大于0.5mm。

所述输出结构将高纯度圆波导TM₁₁模输入圆波导传输线中。为了抑制高次杂模，实现TM₁₁的高纯度激励，输出端口的半径R应该满足：

其中，P₁₁为1阶贝塞尔函数的第一个零点，f_c为最低工作频率，μ为磁导率，ε为介电常数。

本发明的圆波导TM₁₁模式激励器的工作原理如下：

一对幅度相等、相位相差180°的TEM模式同时激励时，其合成场的场分布与TM₁₁模的场具有高度的一致性。因此，通过一对可以产生等幅反相TEM模式的探针激励TM₁₁模式是可行的。

矩形波导传输线传输的TE₁₀模通过反向功分结构后，被分成幅度相等、相位相差180°的两组TE₁₀模到达耦合端。在耦合端，等幅反相的两组矩形波导TE₁₀模分别被耦合激励结构的两个耦合探针从矩形波导高效耦合进入到脊间隙波导，转换为两组幅度相等、相位相差180°的脊间隙波导准TEM模式，被脊间隙波导分别传输到两个激励探针处，并通过激励探针在输出结构的激励端激励起一组等幅反相的TEM波。这组TEM波经过矢量合成后成为圆波导TM₁₁模，经由输出端口输出圆波导传输链路中。

本发明具有以下优势：

1.本发明的TM₁₁模式激励器可以在宽带内产生圆波导TM₁₁模式，模式纯度高，传输损耗小。

2.本发明的TM₁₁模式激励器结构紧凑，可以直接与矩形波导传输链路或圆波导传输链路连接，有利于***的集成。

3.本发明的TM₁₁模式激励器可以根据装配需要，灵活调整传导结构的长度，普适性强。

4.本发明的TM₁₁模式激励器为全金属结构，结构简单，成本低廉，易于加工，装配方便。

附图说明

图1是本发明TM₁₁模式激励器的具体实施方式结构图。

图2是本发明TM₁₁模式激励器具体实施方式的截面结构图。

图3是本发明TM₁₁模式激励器耦合激励装置的截面结构图。

图4是本发明TM₁₁模式激励器的传输曲线图。

图5是本发明TM₁₁模式激励器的TM₁₁纯度曲线图。

附图标号说明：1为功分结构，2为耦合激励结构，3为输出结构，4为波导法兰，5为E面T形结输入端口，6为E面T形结输出端口，7为匹配尖劈，8 为转弯结构，9为矩形波导弯头，10为功分结构耦合端，11为脊间隙波导，12 为耦合探针，13为激励探针，14为输出结构激励端，15为输出端口，16为定位销钉，17为脊间隙波导的脊，18为电磁带隙结构。

具体实施方式

下面结合附图，以Ka波段圆波导TM₁₁模式激励器为例对本发明的具体实施方式进行描述。

如图1所示，一种全金属结构Ka波段圆波导TM₁₁模式激励器，为了保障其结构强度，选择硬铝合金作为其加工材料。所述模式激励器由功分结构1、耦合激励结构2和输出结构3组成，通过波导法兰4与圆波导传输链路连接。

如图2所示，所述功分结构1为基于矩形波导的一分二功分器，由一组对称设置的金属盖板组成。金属盖板间的内腔体组成了矩形波导导波结构，包括矩形波导E面T形结、渐变过渡段和基于标准矩形波导的转弯结构8。所述矩形波导 E面T形结结构包括一个Ka波段标准矩形波导输入端口5、两个非标准矩形波导输出端口6和边长为0.8mm等边三角形匹配尖劈7。其中，非标准矩形波导输出端口6尺寸为7.112mm×2mm，长度为5mm，通过长为12mm的线性渐变过渡段与转弯结构8连接。匹配尖劈位于E面T形结底部中心。所述转弯结构8为基于 Ka波段标准矩形波导的几何结构，其波导截面尺寸为7.112mm×3.556mm。转弯结构8由4个矩形波导弯头9和直波导组成，其末端为相向的两个耦合端10。其中矩形波导弯头9的转弯半径为4.5mm，直波导的长度为16mm。所述耦合端 10是一端被短路壁封闭的矩形波导。矩形波导耦合端10的的E面波导壁上设置有长2.2mm，宽1.8mm，厚1mm的矩形探针空窗。

如图2、图3所示，所述耦合激励结构2外部为长方体结构，包括两块对称放置的金属结构体和位于金属结构体之间的矩形金属平板。金属结构体经过加工构成了两个脊间隙波导11的底板，分别与作为脊间隙波导11盖板的金属平板组成完整的脊间隙波导结构。在本实施例中，脊间隙波导11的长度为30mm，宽度为28mm，脊17的宽度为2.5mm。脊间隙波导11的电磁带隙结构18为圆柱形，其半径为1.4mm，周期为5mm，脊17和电磁带隙结构18的高度均为2mm，与盖板的距离为0.6mm。所述耦合探针12为梯形结构，上底为2.5mm，下底为3.5mm，长度为2mm，厚度为0.5mm。耦合探针12与脊间隙波导11的脊17相连接，并通过探针空窗***功分结构1的耦合端10，探针的横截面几何中心与探针空窗截面几何中心重合，实现矩形波导TE₁₀模与脊间隙波导准TEM模的高效转换。所述激励探针13也为梯形，与脊间隙波导的脊17连接，其尺寸为：上底2.5mm，下底4.5mm，长度6.2mm，厚度0.6mm。

如图2所示，所述输出结构3为圆波导结构，包括激励端14和输出端口15。所述激励端14为一端被短路壁封闭的圆波导，在短路壁上设置有长2.2mm，宽 1.8mm，厚1mm的探针空窗。耦合激励结构2的激励探针13通过探针空窗***输出结构3的激励端14，探针的横截面几何中心与探针空窗截面几何中心重合。所述输出端口15为圆波导端口，与圆波导传输链路连接，将高纯度圆波导TM₁₁模输出到圆波导传输线中。为了抑制高次杂模，实现TM₁₁的高纯度激励，选择输出端口的半径为7.3mm。

为了保证实施例的组装精度，在功分结构1和耦合激励结构2之间安装了定位销钉16。

图4给出了本实施例的传输曲线。分析曲线可知，在26GHz到36GHz的工作频段范围内，实施例的S₂₁参数都大于-0.25dB，说明实施例的传输效率较高，器件整体的工作效率在95％以上。

图5给出了本实施例的曲线。从图中可以看出，在26GHz到36GHz的工作频段范围内，输出端口TM₁₁模式纯度大于98.8％。

综上可得，本实施例的TM₁₁模式激励器实现了TM₁₁模式在Ka波段高效率、高纯度的激励，具有优良的性能。

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TM₁₁模式激励器上，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 (5)

1.一种圆波导TM₁₁模式激励器，包括功分结构、耦合激励结构和输出结构；

所述功分结构为基于矩形波导的一分二功分器，其输入端口为标准矩形波导，与传输TE₁₀模的矩形波导传输线连接，其两个输出端为末端被短路壁封闭的矩形波导耦合端，矩形波导耦合端的E面波导壁上设置有探针空窗，耦合探针通过探针空窗***矩形波导耦合端；

所述耦合激励结构包括两个脊间隙波导、以及分别设置于脊间隙波导两端的耦合探针与激励探针；

所述输出结构为一端被短路壁封闭的圆波导，所述短路壁上设置有探针空窗，激励探针通过探针空窗***输出结构，所述圆波导另一端为圆波导输出端口，与圆波导传输链路连接。

2.如权利要求1所述的一种圆波导TM₁₁模式激励器，其特征在于，所述基于矩形波导的一分二功分器包括矩形波导E面T形结、渐变段和基于标准矩形波导的转弯结构；所述矩形波导E面T形结包括一个输入端口、两个功分器输出端口和匹配尖劈；所述输入端口为标准矩形波导，与矩形波导传输线连接；两个所述功分器输出端口为非标准矩形波导，通过渐变段实现与转弯结构连接；所述匹配尖劈为等边三角形，位于E面T形结底部中心，实现功分器输出端口和输入端口的匹配；所述转弯结构由对称放置的矩形波导弯头和直波导组成，转弯结构末端为相向的两个耦合端；所述耦合端是一端被短路壁封闭的矩形波导，矩形波导耦合端的E面波导壁上设置有探针空窗。

3.如权利要求1所述的一种圆波导TM₁₁模式激励器，其特征在于，所述脊间隙波导用于传导准TEM模，所述耦合探针为梯形，与脊间隙波导的脊相连接，并通过探针空窗***功分结构耦合端，实现矩形波导TE₁₀模与脊间隙波导准TEM模的高效转换；所述激励探针也为梯形，与脊间隙波导的脊连接。

4.如权利要求1所述的一种圆波导TM₁₁模式激励器，其特征在于，所述激励探针和耦合探针的厚度大于0.5mm。

5.如权利要求1所述的一种圆波导TM₁₁模式激励器，其特征在于，所述输出结构将高纯度圆波导TM₁₁模输入圆波导传输线中，圆波导输出端口的半径R满足：

其中，P₁₁为1阶贝塞尔函数的第一个零点，f_c为最低工作频率，μ为磁导率，ε为介电常数。

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