CN115411473A - 基于E面Y形分支波导的矩TEn0模式激励器 - Google Patents

Abstract

本申请适用于太赫兹真空电子器件技术领域，提供了基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，包括：输入矩形波导、E面Y形分支结、n个分支波导以及过模输出波导；其中，n为不小于2的整数；所述输入矩形波导的第一端接入TE₁₀基模信号，第二端与所述E面Y形分支结连接；所述分支波导的第一端与所述E面Y形分支结连接，第二端与所述过模输出波导连接；所述分支波导有且仅有一条电磁波传播路径，且相邻的所述分支波导的所述电磁波传播路径长度之差为所述TE₁₀基模信号半波导波长的奇数倍。本申请通过合理设置n的数量和传播路径长度，可以得到任意n取值的TE_n0信号，具有更为广泛的适用性。

Description

基于E面Y形分支波导的矩TEn0模式激励器

技术领域

本申请属于太赫兹真空电子器件技术领域，尤其涉及基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器。

背景技术

毫米波/太赫兹波由于具有频谱带宽高、可携带信息多、低光子能量、安全性高、定向性好等特性，在安检成像、高数据率通信和高精度雷达探测等众多应用领域上具有广泛的应用前景。

模式激励器作为太赫兹应用***的关键部件之一，可用于测量高阶过模平面慢波结构的高频特性、构建矩转圆模式变换器、组建雷达的旋转关节、构建回旋行波输入耦合器等相关应用场景。

然而，现有技术中的模式激励器由于受限于其结构，输出电磁波的模式种类存在一定的局限性。比如有的现有技术只能激励TE₂₀或TE_2m,0模(m＝1,2,…，偶数次模)。现有技术难以满足输出模式种类需求齐全的应用场景。因此，如何提供一种能够输出任意高阶模TE_n0(n＝2,3,4...)信号的模式激励器成为了业内亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请实施例提供了基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，可以解决现有模式激励器输出电磁波模式种类有限，无法更广泛适用的问题。

为了解决上述问题，本申请提供一种基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，包括输入矩形波导、E面Y形分支结、n个分支波导以及过模输出波导；其中，n为不小于2的整数；

所述输入矩形波导的第一端接入TE₁₀基模信号，第二端与所述E面Y形分支结连接；

所述分支波导的第一端与所述E面Y形分支结连接，第二端与所述过模输出波导连接；

所述分支波导有且仅有一条电磁波传播路径，且相邻的所述分支波导的所述电磁波传播路径长度之差为所述TE₁₀基模信号半波导波长的奇数倍。

上述模式激励器基于E面Y形分支结将输入矩形波导接入的TE₁₀基模信号功率分配至n个分支波导，同时通过合理设置相邻分支波导的电磁波传播路径长度，使得相邻分支波导输出的电磁波为等幅反相的信号，并最终利用过模输出波导整合至少n个分支波导输出信号，得到高阶TE_n0模信号。

此外，所述TE₁₀基模信号的模式和分支波导的数量n共同确定了上述模式激励器的输出信号，以所述TE₁₀基模信号为TE₁₀为例，则具有n个分支波导的上述模式激励器能够输出TE_n0信号，也就是说，上述模式激励器通过合理设置n的数量和传播路径长度，可以得到任意n取值的TE_n0信号，具有更为广泛的适用性。

在一种可行的实施方式中，激励器坐标系下：

存在至少两个所述分支波导在z轴上的投影坐标范围不同；并且，

存在至少两个所述分支波导在xy平面上的投影坐标范围不同；

所述激励器坐标系是指以所述输入矩形波导至所述过模输出波导的方向为y轴正向，以所述分支波导的E面所在平面为xy平面建立的笛卡尔坐标系。

上述模式激励器通过将各分支波导在z轴方向上交错设置，一方面能够使得模式激励器的体积减小，使其应用更为灵活；另一方面也为所述分支波导的所述电磁波传播路径长度的调整提供了充分的空间。

在一种可行的实施方式中，所述分支波导包括第一分支段、第二分支段以及第三分支段；

所述第三分支段的第一端与所述第二分支段连接，第二端与所述过模输出波导连接；所述第二分支段第一端与所述第一分支段连接，第二端与所述第三分支段连接；所述第一分支段第一端与所述输入矩形波导连接，第二端与所述第二分支段连接；

在所述分支波导中的电磁波传播路径长度和目标模式的模式转换效率密切相关；通过调节在n分支波导中传输的电磁波的传输路径差来调制各相邻分支信号的相位差，以获得高阶TE_n0模。

在一种可行的实施方式中，n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端处于同一平面，并在x轴方向上依次排布；

所述过模输出波导在x轴方向上的长度等于n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端在x轴方向上的长度之和；

所述过模输出波导在z轴方向上的长度和n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端在z轴方向上的长度相同。

上述模式激励器通过第三分支段的结构，使得分支波导的输出端，即第三分支段的第二端处于同一平面，进而与过模输出矩形波导尺寸匹配的得以连接，进一步减少了模式激励器的体积、增加了模式激励的效率。

在一种可行的实施方式中，所述E面Y形分支结包括主分支波导和n分支机构；

所述主分支波导的第一端与所述输入矩形波导的第二端连接，第二端与所述n分支机构连接；所述n分支机构的第一端与所述主分支波导连接，第二端至第n+1端分别与n个所述分支波导连接；

所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上依次排布；所述n分支机构的第一端在z轴方向上的长度等于所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度之和，且所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度相等；所述n分支机构的第一端在x轴方向上的长度和所述n分支机构的第二端至第n+1端中的任一端在x轴方向上的长度相同，使得馈入至各个分支波导的信号具有等幅度特性。

上述模式激励器通过相连接的主E面Y形分支结构和n分支机构将所述TE₁₀基模信号分配至n分支机构的第二端至第n+1端，并使得分配后的信号处于相同的模式，以便通过调节在n分支波导中传输的电磁波的传输路径差来调制各相邻分支信号的相位差，并最终通过过模输出波导汇总转换为高阶模信号。

在一种可行的实施方式中，所述主分支波导的xz截面尺寸、所述输入矩形波导的第二端在xz平面上的投影尺寸以及所述n分支机构的第一端在xz平面上的投影尺寸相同；所述xz截面是指任一与xz平面平行的截面。

上述模式激励器通过与输入矩形波导尺寸匹配的主分支波导分配所述TE₁₀基模信号至n分支机构，具有更好的输入矩形波导适配性。

在一种可行的实施方式中，所述E面Y形分支结还包括渐变式匹配台阶；所述主分支波导的第一端通过所述渐变式匹配台阶与所述输入矩形波导的第二端连接；

所述渐变式匹配台阶的第一端与所述输入矩形波导连接，第二端与所述主分支波导连接；所述主分支波导的第一端与所述渐变式匹配台阶连接；

所述渐变式匹配台阶的第一端在xz平面上的投影与所述输入矩形波导的第二端在xz平面上的投影尺寸相同；所述渐变式匹配台阶的第二端在xz平面上的投影尺寸、所述主分支波导的xz截面尺寸以及所述n分支机构的xz截面尺寸相同；所述xz截面是指任一与xz平面平行的截面。

上述模式激励器通过引入渐变式匹配台阶连接主分支波导和输入矩形波导，使得主分支波导和n分支机构的尺寸具有更好的灵活性，进而对各尺寸分支波导的适配性更佳。另外，匹配台阶的引入有助于实现阻抗匹配，能够有效降低端口反射系数。

在一种可行的实施方式中，所述第二分支段和所述第三分支段在xy平面上的投影均为矩形，且所述第二分支段和所述第三分支段在xy平面上的投影矩形均存在两个与y轴平行的边；

所述第一分支段在xy平面上的投影为平行四边形，且所述第一分支段的第一端和第二端在xy平面上的投影构成所述平行四边形的一对平行边。

上述模式激励器通过第一分支段将各分支波导在x轴方向上交错开，以匹配与过模输出波导的连接位置，同时采用连续性更好的矩形投影的第二分支段和第三分支段，使得模式激励器的不连续性区域更为集中，能够更好的通过第二分支段的电磁波传输路径长度对由于不连续性的引入带来的反射系数增量进行抑制。

在一种可行的实施方式中，所述第一分支段的第一端在xz平面上的投影尺寸与所述n分支机构的第二端至第n+1端中的任一端在在xz平面上的投影尺寸相同；

所述第一分支段的第二端在xz平面上的投影尺寸、所述第二分支段的xz截面尺寸以及所述第三分支段的xz截面尺寸相同。

上述模式激励器通过在xz截面随y轴正向逐渐变大的第一分支段将所述n分支机构的第二端至第n+1端的尺寸与第二分支段第一端尺寸匹配，进而依次通过第二分支段、第三分支段以及过模输出波导实现整体结构的匹配，使得模式激励器的不连续性区域更为集中，能够更好的通过第二分支段的电磁波传输路径长度对由于不连续性的引入带来的反射系数增量进行抑制。

在一种可行的实施方式中，所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度相等。

上述模式激励器通过等高(即z轴方向上的长度相等)的n分支机构的第二端至第n+1端实现所述TE₁₀基模信号的等功率分配，从而使得每条分支波导中的电磁波信号功率相同，进而使得过模输出波导汇总的各信号功率相同，能够更为高效的获取高阶模信号，减少竞争模，增加目标模比率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器的第一结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器的第二结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的模式激励器输入端口和输出端口的反射系数的幅频特性曲线；

图4是本申请一实施例提供的模式激励器的模式转换效率曲线；

图5是本申请另一实施例提供的模式激励器输入端口和输出端口的反射系数的幅频特性曲线；

图6是本申请另一实施例提供的模式激励器的模式转换效率曲线；

图7是本申请实施例提供的模式激励器的俯视结构示意图。

附图标记：

101表示TE₁₀-TE₂₀激励器输入端口；

102表示TE₁₀-TE₂₀激励器主分支波导；

103表示TE₁₀-TE₂₀激励器E面Y形分支结(一些实施例中，又称为E面Y形结)；

104表示TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导；

105表示TE₁₀-TE₂₀激励器第二分支波导；

106表示TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导中间段；

107表示TE₁₀-TE₂₀激励器第二分支波导中间段；

108表示TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导第一弯曲段；

109表示TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导第二弯曲段；

110表示TE₁₀-TE₃₀激励器过模输出矩形波导；

111表示TE₁₀-TE₂₀激励器输出端口；

201表示WR-2.8标准输入端口；

202表示WR-2.8标准输入波导；

203表示渐变式匹配台阶；

204表示TE₁₀-TE₃₀激励器主分支波导；

205表示TE₁₀-TE₃₀激励器E面Y形分支结(一些实施例中，又称为Y形三E面Y形分支结构)；

206表示TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导；

207表示TE₁₀-TE₃₀激励器第二分支波导；

208表示TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导；

209表示TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导中间段；

210表示TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导中间段；

211表示TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导第一弯曲段；

212表示TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导第二弯曲段；

213表示TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导第一弯曲段；

214表示TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导第二弯曲段；

215表示TE₁₀-TE₃₀激励器过模输出矩形波导；

216表示TE₁₀-TE₃₀激励器输出端口。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

本发明实施例提供一种基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，包括输入矩形波导、E面Y形分支结、n个分支波导以及过模输出波导；其中，n为不小于2的整数；

所述输入矩形波导的第一端接入TE₁₀基模信号，第二端与所述E面Y形分支结连接；

所述分支波导的第一端与所述E面Y形分支结连接，第二端与所述过模输出波导连接；

所述分支波导有且仅有一条电磁波传播路径，且相邻的所述分支波导的所述电磁波传播路径长度之差为所述TE₁₀基模信号半波导波长的奇数倍。

具体地，本实施例的信号传播路径可以为：

所述TE₁₀基模信号经所述输入矩形波导馈入所述E面Y形分支结，基于所述E面Y形分支结分配功率后形成n路电磁波，所述n路电磁波分别经由所述n个分支波导汇入所述过模输出波导，并转换为输出信号。

本实施例提供的模式激励器的典型应用场景包括但不限于：

1)用于高阶模过模平面慢波结构电磁性能的冷测；

2)用于构建矩转圆模式变换器；

3)用于构建高阶模太赫真空电子器件的输入输出结构。

下面将以冷腔测试作为典型应用场景示例，对本实施例进行进一步的说明。

冷腔测试是研究慢波结构的一种重要手段之一，通常采用矢量网络分析仪进行测试。由于矢量网络分析仪输出的电磁波工作在基模，当对高阶模平面慢波结构进行冷腔测试时，需要将两个相同的模式激励器进行背靠背连接形成背靠背耦合结构，该耦合结构首先将基模TE₁₀模转换为高阶模TE_n0(n＝2,3,4...)模，再将高阶模TE_n0(n＝2,3,4...)模经过相同的结构转换回TE₁₀模。

低端口反射以及高转换效率等特性作为衡量一个模式激励器性能好坏的直接标准，本实施例在这一应用场景中具有较好的表现(请参见图3至图6以及后续说明)。

在这一应用场景下，本实施方式的目的可以具体为：

在E面Y形分支波导功率耦合网络的基础上，通过控制相邻两条支路的夹角相等以及适当延长分支波导中间段的长度，来降低端口反射，通过优化设计使得在相邻分支传播的电磁波具有等幅反相的特性，从而获得低端口反射系数和高模式转换效率的矩TE₁₀-TE_n0的模式激励器。

本实施方式的具体方案如下。

一种基于E面Y形分支波导功率耦合网络的TE₁₀-TE_n0的模式激励器，包括输入端口(即输入矩形波导第一端)、输入波导(即输入矩形波导主体)、E面Y形结(即E面Y形分支结)、n个分支(即n个分支波导)、输出端口(即过模输出波导第二端)，所述n个分支波导汇合而成过模输出矩形波导(即过模输出波导主体)，基模TE₁₀从输入端口输入，通过模式模式激励器在输出端口输出TE_n0模。由E面Y形分支的电磁波特性可知：当电磁波从E面Y形结的主分支波导输入时，将在Y形结的n个n分支波导输出等幅同相的电磁波。

进一步地，调整每个分支的电磁波传输路径长度d_n，使得相邻分支的电磁波传输路径长度之差为半波导波长的整数倍，从而使得相邻分支的电磁波具有等幅反相的特性。

进一步地，每条分支波导不和相邻分支波导的E面齐平，两者存在一定的高度差W。

进一步地，在凸起的分支波导中间段处加载圆形弯曲波导，使其分支波导末端与E面水平的分支波导汇合在同一平面，形成过模输出波导。

本实施例的有益效果在于：

基于E面Y形分支结将输入矩形波导接入的TE₁₀基模信号功率分配至n个分支波导，同时通过合理设置相邻分支波导的电磁波传播路径长度，使得相邻分支波导输出的电磁波为等幅反相的信号，并最终利用过模输出波导整合至少个分支波导输出信号，得到高阶TE_n0模信号。

此外，所述TE₁₀基模信号的模式和分支波导的数量n共同确定了上述模式激励器的输出信号，以所述TE₁₀基模信号为TE₁₀为例，则具有n个分支波导的上述模式激励器能够输出TE_n0信号，也就是说，上述模式激励器通过合理设置n的数量和传播路径长度，可以得到任意n取值的TE_n0信号，具有更为广泛的适用性。

根据上述实施例，在本实施例中：

激励器坐标系下：

存在至少两个所述分支波导在z轴上的投影坐标范围不同；并且，

存在至少两个所述分支波导在xy平面上的投影坐标范围不同；

所述激励器坐标系是指以所述输入矩形波导至所述过模输出波导的方向为y轴正向，以所述分支波导的E面所在平面为xy平面建立的笛卡尔坐标系。

作为示例而非限定，图2、图3分别示出了两种可行的分支波导排布方案。

进一步地，在未通过附图示出的更高n取值的实施方式中，类似于图3中分支1和分支3的，分别相对于输入矩形波导所在平面向上凸出和向下凹入的分支波导可以位于分支2的同一侧，以更为充分的利用空间。

本实施例利用各分支波导在z轴方向上的错落排布，配合各分支波导在xy平面上的错落排布，充分利用了三维空间，能够在有限的空间内布置更多的分支波导，使得模式激励器，尤其是需要输出高阶模信号的模式激励器具有更小的体积和使用灵活性。

值得说明的是，由于分支波导具有一定的体积，本实施例中所述分支波导在z轴上的投影坐标范围，可以理解为分支波导上任一点的z坐标的集合。

本实施例的有益效果在于：

通过将各分支波导在z轴方向上交错设置，一方面能够使得模式激励器的体积减小，使其应用更为灵活；另一方面也为所述分支波导的所述电磁波传播路径长度的调整提供了充分的空间。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

所述分支波导包括第一分支段、第二分支段以及第三分支段；

所述第三分支段的第一端与所述第二分支段连接，第二端与所述过模输出波导连接；所述第二分支段第一端与所述第一分支段连接，第二端与所述第三分支段连接；所述第一分支段第一端与所述输入矩形波导连接，第二端与所述第二分支段连接；

在所述分支波导中的电磁波传播路径长度和目标模式的模式转换效率密切相关；通过调节在n分支波导中传输的电磁波的传输路径差来调制各相邻分支信号的相位差，以获得高阶TE_n0模。

值得说明的是，本申请各实施例中分支波导的第一分支段、第二分支段以及第三分支段可能是人为划分的非结构性概念，例如图2或图3中的分支2可以是一体成型的分支波导，但其同样能够划分出第一分支段、第二分支段以及第三分支段；对应地，第一分支段、第二分支段以及第三分支段各端之间的“连接”也并不局限于通过连接件或加工连接的方式予以连接，还可能是一体成型的物理结构自然存在的“连接”。

类似地，本申请各实施例中，有关输入矩形波导、E面Y形分支结、分支波导以及过模输出波导间的“连接”同样并不局限于通过连接件或加工连接的方式予以连接，还可能是一体成型的物理结构自然存在的“连接”。

本实施例中，所述第二分支段的电磁波传播路径长度对应的反射系数与所述过模输出波导输出信号的用途存在预设的关联关系这一限制中，输出信号的用途可以参考上文中有关应用场景的描述，即：

1)用于高阶模过模平面慢波结构电磁性能的冷测；

2)用于构建矩转圆模式变换器；

3)用于构建高阶模太赫真空电子器件的输入输出结构。

虽然更低的反射系数通常能够带来更好的效果，然而完全为零的反射系数在并非理想情况的实际器件中几乎不可能实现，故在某一确定的用途中，根据需求能够确定一反射系数上限，第二分支段的电磁波传播路径长度对应的反射系数只需小于该反射系数上限即可满足需求。

在一个可选的实施方式中，第二分支段的电磁波传播路径长度是在所述模式激励器制备前就已经确定了的，换言之，所述模式激励器的制备步骤流程中，存在着基于用途(在一些实施方式中，也可以基于反射系数上限)确定第二分支段的电磁波传播路径长度的过程。

一个可选的第二分支段的电磁波传播路径长度确定步骤是经由约束优化模型执行的；所述约束优化模型是指在所述输入矩形波导、所述E面Y形分支结、所述第一分支段、所述第二分支段以及所述过模输出波导的结构参数的约束和半波导波长的奇数倍约束下，以反射系数最低为目标的第二分支段电磁波传播路径长度优化模型。

可以理解，在一些实施方式中，第二分支段的作用在于调节反射系数。

本实施例的有益效果在于：

通过将分支波导分段，并调节其中一段(第二分支段)的长度以抑制由于不连续性的引入带来的反射系数增量，使得模式激励器具有更好的效率。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端处于同一平面，并在x轴方向上依次排布；

所述过模输出波导在x轴方向上的长度等于n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端在x轴方向上的长度之和；

所述过模输出波导在z轴方向上的长度和n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端在z轴方向上的长度相同。

此外，不同于上述描述，在另一些可选的实施方式中，过模输出波导在x轴方向上的长度可以大于第三分支段第二端的x轴方向上的长度之和。

可以理解，在一些实施方式中，第三分支段的作用在于在z轴方向上调节所述分支波导的坐标，以使得各分支波导的末端能够与过模输出波导对齐连接。

本实施例的有益效果在于：

通过第三分支段的结构，使得分支波导的输出端，即第三分支段的第二端处于同一平面，进而与过模输出矩形波导尺寸匹配的得以连接，进一步减少了模式激励器的体积、增加了模式激励的效率。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

所述E面Y形分支结包括主分支波导和n分支机构；

所述主分支波导的第一端与所述输入矩形波导的第二端连接，第二端与所述n分支机构连接；所述n分支机构的第一端与所述主分支波导连接，第二端至第n+1端分别与n个所述分支波导连接；

所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上依次排布；所述n分支机构的第一端在z轴方向上的长度等于所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度之和，且所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度相等；所述n分支机构的第一端在x轴方向上的长度和所述n分支机构的第二端至第n+1端中的任一端在x轴方向上的长度相同，使得馈入至各个分支波导的信号具有等幅度特性。

本实施例的有益效果在于：

通过相连接的主E面Y形分支结构和n分支机构将所述TE₁₀基模信号分配至n分支机构的第二端至第n+1端，并使得分配后的信号处于相同的模式，以便通过调节在n分支波导中传输的电磁波的传输路径差来调制各相邻分支信号的相位差，并最终通过过模输出波导汇总转换为高阶模信号。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

所述主分支波导的xz截面尺寸、所述输入矩形波导的第二端在xz平面上的投影尺寸以及所述n分支机构的第一端在xz平面上的投影尺寸相同；所述xz截面是指任一与xz平面平行的截面。

在一个可选的实施方式中，如图1所示，本实施例可以具体为一种基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器。

下面将以中心工作频率为340GHz的基于E面Y形分支波导的矩TE₁₀-TE₂₀的模式激励器为例进行说明。

该基于E面Y形分支波导的矩TE₁₀-TE₂₀的模式激励器主要包括用以输入主模TE₁₀的TE₁₀-TE₂₀激励器输入端口101，和TE₁₀-TE₂₀激励器输入端口101相连接的TE₁₀-TE₂₀激励器主分支波导102，1个E面Y形结103，Y形结处一分为二，分别采用渐变式的结构连接到TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导104和TE₁₀-TE₂₀激励器第二分支波导105。在TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导中间段106后加载弯曲波导，即TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导第一弯曲段108、TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导第二弯曲段109，并与TE₁₀-TE₂₀激励器第二分支波导中间段107的末尾汇合形成TE₁₀-TE₂₀激励器过模输出矩形波导110，TE₁₀-TE₂₀激励器输出端口111。

电磁波经过TE₁₀-TE₂₀激励器输入端口101馈入上述E面Y形分支波导功分网络将功率进行一分为二。电磁波将通过2个分支进行输出，分别为分支1和分支2。其中分支1包括TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导104、TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导中间段106、TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导第一弯曲段108和TE₁₀-TE₂₀激励器第一分支波导第二弯曲段109。分支2包括TE₁₀-TE₃₀激励器第二分支波导105、TE₁₀-TE₃₀激励器第二分支波导中间段107。从TE₁₀-TE₃₀激励器输入端口101输入的矩TE₁₀模，经过二路功分网络，在分支1和2处获得两路等幅反相的电磁波，并在过模输出矩形波导处转变为TE₂₀模。在TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导104和TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导中间段106的连接处，由于不连续性的引入，容易引起端口反射。为了降低该端口反射，通过在E面Y形结103处实现功率均等分配的基础上，适当延长TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导中间段106的长度。

图3给出了本实施例提供的模式激励器的输入端口的TE₁₀模的反射系数(S1(1),1(1))、输出端口的TE₂₀模反射系数(S2(2),2(2))的幅频特性曲线。由图3可知：在291.4-368.8GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为77.4GHz。在309.9-367.4GHz频率范围内，S2(2),2(2)小于-15dB,带宽为57.5GHz。

图4给出了本实施例提供的模式激励器的模式转换效率曲线。由图4可知：在313.1-365.8GHz的频率范围内，模式转换效率均高于90％。在329.5-350.1GHz的频率范围内，模式转换效率达到95％以上。

本实施例的有益效果在于：

通过与输入矩形波导尺寸匹配的主分支波导分配所述TE₁₀基模信号至n分支机构，具有更好的输入矩形波导适配性。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

所述E面Y形分支结还包括渐变式匹配台阶；所述主分支波导的第一端通过所述渐变式匹配台阶与所述输入矩形波导的第二端连接；

所述渐变式匹配台阶的第一端与所述输入矩形波导连接，第二端与所述主分支波导连接；所述主分支波导的第一端与所述渐变式匹配台阶连接；

所述渐变式匹配台阶的第一端在xz平面上的投影与所述输入矩形波导的第二端在xz平面上的投影尺寸相同；所述渐变式匹配台阶的第二端在xz平面上的投影尺寸、所述主分支波导的xz截面尺寸以及所述n分支机构的xz截面尺寸相同；所述xz截面是指任一与xz平面平行的截面。

在一个可选的实施方式中，如图2所示，本实施例可以具体为一种基于E面Y形三分支功率耦合网络的矩TE_n0模式激励器。

下面将以中心工作频率为340GHz的基于E面Y形三分支功率耦合网络的矩TE₁₀-TE₃₀的模式激励器为例进行说明。

如图2所示，矩TE₁₀-TE₃₀的模式激励器包括：

用来输入基膜TE₁₀模的WR-2.8标准输入端口201,1个渐变式匹配台阶203，1个Y形三E面Y形分支结构205，Y形结处一分为三，并依次和3个分支波导相连接，各支路波导的宽边和窄边相同。整个耦合结构具有3路分支。3路分支最终汇合成了一个过模输出矩形波导。在相邻分支处传输的TE₁₀模具有等幅反相的特性，最后在过模输出矩形波导处转换为TE₃₀模进行输出。为了降低该端口反射，在Y形结处控制相邻两条支路的夹角相等以及适当延长TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导中间段209和TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导中间段210的长度。

具体为，WR-2.8标准输入端口201所在的WR-2.8标准输入波导202通过渐变式匹配台阶203连接TE₁₀-TE₃₀激励器主分支波导204，在E面Y形三E面Y形分支结构205处一分为三，分别连接TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导206、TE₁₀-TE₃₀激励器第二分支波导207和TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导208，通过在TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导中间段209和TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导中间段210处依次加载弯曲波导，即TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导第一弯曲段211、TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导第二弯曲段212、TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导第一弯曲段213以及TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导第二弯曲段214，三条分支汇合于同一平面形成TE₁₀-TE₃₀激励器过模输出波导215，TE₁₀-TE₃₀激励器输出端口216。

电磁波经过WR-2.8标准输入端口201馈入上述E面Y形三分支功率耦合网络将功率进行一分为三。电磁波将通过3个分支进行输出，分别为分支1、分支2、分支3。其中分支1包括TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导206、TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导中间段209、TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导第一弯曲段211、TE₁₀-TE₃₀激励器第一分支波导第二弯曲段212。分支2包括TE₁₀-TE₃₀激励器第二分支波导207。分支3包括TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导208、TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导中间段210、TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导第一弯曲段213、TE₁₀-TE₃₀激励器第三分支波导第二弯曲段214。

最终，分支1、分支2、分支3汇合成了一个TE₁₀-TE₃₀激励器过模输出矩形波导215，通过TE₁₀-TE₃₀激励器输出端口216输出。

图5给出了本实施例提供的模式激励器的输入端口的TE₁₀模的反射系数(S1(1),1(1))、输出端口的TE₃₀模反射系数(S2(3),2(3))的幅频特性曲线。由图5可知：在311.3-387,6GHz的频率范围内，S1(1),1(1)小于-15dB，带宽为76.3GHz。在304.9-383.9GHz频率范围内，S2(3),2(3)小于-15dB,带宽为79.0GHz。在所仿真监视的280-400GHz范围内S1(1),1(1)均小于-10dB，而S2(3),2(3)小于-10dB的带宽120.0GHz。

图6给出了本实施例提供的模式激励器的模式转换效率曲线。由图6可知：在314.8-365.9GHz的频率范围内，模式转换效率高于90％。在327.9-362.7GHz的频率范围内，模式转换效率高于95％。

本实施例的有益效果在于：

通过引入渐变式匹配台阶连接主分支波导和输入矩形波导，使得主分支波导和n分支机构的尺寸具有更好的灵活性，进而对各尺寸分支波导的适配性更佳。另外，匹配台阶的引入有助于实现阻抗匹配，能够有效降低端口反射系数。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

所述第二分支段和所述第三分支段在xy平面上的投影均为矩形，且所述第二分支段和所述第三分支段在xy平面上的投影矩形均存在两个与y轴平行的边；

所述第一分支段在xy平面上的投影为平行四边形，且所述第一分支段的第一端和第二端在xy平面上的投影构成所述平行四边形的一对平行边。

可以理解，在一些实施方式中，第一分支段用于在xy平面上交错配置各分支波导。

本实施例的有益效果在于：

通过第一分支段将各分支波导在x轴方向上交错开，以匹配与过模输出波导的连接位置，同时采用连续性更好的矩形投影的第二分支段和第三分支段，使得模式激励器的不连续性区域更为集中，能够更好的通过第二分支段的电磁波传输路径长度对由于不连续性的引入带来的反射系数增量进行抑制。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

所述第一分支段的第一端在xz平面上的投影尺寸与所述n分支机构的第二端至第n+1端中的任一端在在xz平面上的投影尺寸相同；

所述第一分支段的第二端在xz平面上的投影尺寸、所述第二分支段的xz截面尺寸以及所述第三分支段的xz截面尺寸相同。

可以理解，在一些实施方式中，第一分支段还用于匹配E面Y形分支结尺寸和过模输出波导尺寸。

本实施例的有益效果在于：

通过在xz截面随y轴正向逐渐变大的第一分支段将所述n分支机构的第二端至第n+1端的尺寸与第二分支段第一端尺寸匹配，进而依次通过第二分支段、第三分支段以及过模输出波导实现整体结构的匹配，使得模式激励器的不连续性区域更为集中，能够更好的通过第二分支段的电磁波传输路径长度对由于不连续性的引入带来的反射系数增量进行抑制。

根据上述任一实施例，在本实施例中：

所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度相等。

本实施例的有益效果在于：

通过等高(即z轴方向上的长度相等)的n分支机构的第二端至第n+1端实现所述TE₁₀基模信号的等功率分配，从而使得每条分支波导中的电磁波信号功率相同，进而使得过模输出波导汇总的各信号功率相同，能够更为高效的获取高阶模信号，减少竞争模，增加目标模比率。

以上实例仅为方便说明本申请，本申请适用于工作于太赫兹波段的模式转换器，包括矩TE₁₀-TE₂₀、TE₁₀-TE₃₀、TE₁₀-TE₄₀等的转换。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，包括输入矩形波导、E面Y形分支结、n个分支波导以及过模输出波导；其中，n为不小于2的整数；

所述输入矩形波导的第一端接入TE₁₀基模信号，第二端与所述E面Y形分支结连接；

所述分支波导的第一端与所述E面Y形分支结连接，第二端与所述过模输出波导连接；

所述分支波导有且仅有一条电磁波传播路径，且相邻的所述分支波导的所述电磁波传播路径长度之差为所述TE₁₀基模信号半波导波长的奇数倍。

2.如权利要求1所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，激励器坐标系下：

存在至少两个所述分支波导在z轴上的投影坐标范围不同；并且，

存在至少两个所述分支波导在xy平面上的投影坐标范围不同；

所述激励器坐标系是指以所述输入矩形波导至所述过模输出波导的方向为y轴正向，以所述分支波导的E面所在平面为xy平面建立的笛卡尔坐标系。

3.如权利要求1或2所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，所述分支波导包括第一分支段、第二分支段以及第三分支段；

所述第三分支段的第一端与所述第二分支段连接，第二端与所述过模输出波导连接；所述第二分支段第一端与所述第一分支段连接，第二端与所述第三分支段连接；所述第一分支段第一端与所述输入矩形波导连接，第二端与所述第二分支段连接。

4.如权利要求3所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端处于同一平面，并在x轴方向上依次排布；

所述过模输出波导在x轴方向上的长度等于n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端在x轴方向上的长度之和；

所述过模输出波导在z轴方向上的长度和n个所述分支波导的所述第三分支段的第二端在z轴方向上的长度相同。

5.如权利要求1、2、4中任一项所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，所述E面Y形分支结包括主分支波导和n分支机构；

所述主分支波导的第一端与所述输入矩形波导的第二端连接，第二端与所述n分支机构连接；所述n分支机构的第一端与所述主分支波导连接，第二端至第n+1端分别与n个所述分支波导连接；

所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上依次排布；所述n分支机构的第一端在z轴方向上的长度等于所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度之和，且所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度相等；所述n分支机构的第一端在x轴方向上的长度和所述n分支机构的第二端至第n+1端中的任一端在x轴方向上的长度相同。

6.如权利要求5所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，所述主分支波导的xz截面尺寸、所述输入矩形波导的第二端在xz平面上的投影尺寸以及所述n分支机构的第一端在xz平面上的投影尺寸相同；所述xz截面是指任一与xz平面平行的截面。

7.如权利要求5所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，所述E面Y形分支结还包括渐变式匹配台阶；所述主分支波导的第一端通过所述渐变式匹配台阶与所述输入矩形波导的第二端连接；

所述渐变式匹配台阶的第一端与所述输入矩形波导连接，第二端与所述主分支波导连接；所述主分支波导的第一端与所述渐变式匹配台阶连接；

所述渐变式匹配台阶的第一端在xz平面上的投影与所述输入矩形波导的第二端在xz平面上的投影尺寸相同；所述渐变式匹配台阶的第二端在xz平面上的投影尺寸、所述主分支波导的xz截面尺寸以及所述n分支机构的xz截面尺寸相同；所述xz截面是指任一与xz平面平行的截面。

8.如权利要求6或7所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，所述第二分支段和所述第三分支段在xy平面上的投影均为矩形，且所述第二分支段和所述第三分支段在xy平面上的投影矩形均存在两个与y轴平行的边；

所述第一分支段在xy平面上的投影为平行四边形，且所述第一分支段的第一端和第二端在xy平面上的投影构成所述平行四边形的一对平行边。

9.如权利要求6所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，所述第一分支段的第一端在xz平面上的投影尺寸与所述n分支机构的第二端至第n+1端中的任一端在在xz平面上的投影尺寸相同；

所述第一分支段的第二端在xz平面上的投影尺寸、所述第二分支段的xz截面尺寸以及所述第三分支段的xz截面尺寸相同。

10.如权利要求5所述的基于E面Y形分支波导的矩TE_n0模式激励器，其特征在于，所述n分支机构的第二端至第n+1端在z轴方向上的长度相等。

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