專利名稱：插板式同軸微波模式變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率微波模式變換器，尤其涉及一種同軸波導(dǎo)的TEM模式到圓波導(dǎo)的TE11模式的變換器。
背景技術(shù)：
多數(shù)高功率微波源具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它們產(chǎn)生的模式多是旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱模。如渡越管、磁絕緣線振蕩器、相對(duì)論速調(diào)管等采用同軸結(jié)構(gòu)輸出微波的器件輸出同軸TEM模，而軸向提取的虛陰極振蕩器、相對(duì)論返波管、錐形慢波結(jié)構(gòu)發(fā)生器則產(chǎn)生圓波導(dǎo)TM01模。無論是同軸TEM模還是圓波導(dǎo)TM01模，由于其輸出端口的口徑場(chǎng)分布具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，將導(dǎo)致軸向?yàn)榱愕沫h(huán)狀遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，不利于高功率微波的定向傳輸與發(fā)射。
為了實(shí)現(xiàn)定向輻射，通常要將圓波導(dǎo)TM01模和同軸TEM模變換為圓波導(dǎo)TE11模，再通過天線輻射出去，其中同軸TEM模要先變換為圓波導(dǎo)TM01模式，再實(shí)現(xiàn)從TM01到TE11的變換。當(dāng)前，被廣泛采用的高功率微波模式變換器有兩種一是將開口圓波導(dǎo)斜切的Vlasov模式變換器(Wada O，Nakajima M.Quasiopticalreflector antennas for high power millimeter waves[A].Proc.of Ec-6 JointWorkshop on ECE and ECRH[C]，Oxford Sept.1987369-376)；這種模式變換器將圓波導(dǎo)TM01模式變?yōu)榫哂幸欢ǚ较蛐缘臏?zhǔn)高斯模，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但其輻射方向偏離波導(dǎo)軸線，即輸入輸出不共軸。另一種是雙彎型圓波導(dǎo)模式變換器(Yang S W，Li H F.Numerical modeling of 8mm TM01-TE11mode converter[J].Int.J.Infrared and Millimeter Waves，1996，17(11)1935-1943)，即一個(gè)彎曲波導(dǎo)與另一個(gè)同直徑、曲率方向相反的圓波導(dǎo)相切連接；這種雙彎型波導(dǎo)模式變換器可以高效地實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)TM01-TE11模式變換，但加工困難，同時(shí)也存在輸入輸出不共軸的問題。Eisenhart R L曾提出一種可以實(shí)現(xiàn)同軸TEM-圓波導(dǎo)TE11的模式變換器(A novel wideband TM01-TE11mode conver ter[J].IEEETrans on Microwave Theory and Techniques，1988，1(11)249-252)，該模式轉(zhuǎn)換器先將圓同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成矩形同軸波導(dǎo)，然后將矩形同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體與矩形外導(dǎo)體相短接，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成矩形波導(dǎo)，最后將矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成圓波導(dǎo)。因此，它存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、局部電場(chǎng)集中、功率容量低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種同軸插板式微波模式變換器，該種轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)同軸TEM?！獔A波導(dǎo)TE11模的模式轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，功率容量高、輸入輸出共軸。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為一種插板式同軸微波模式變換器，包括前部由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體構(gòu)成的同軸波導(dǎo)和后部由單純外導(dǎo)體構(gòu)成的圓波導(dǎo)等，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為a、同軸波導(dǎo)的內(nèi)外導(dǎo)體之間軸向插有第一、二、三、四共四塊前端對(duì)齊的金屬板，相鄰的任兩金屬板間呈90°角；b、第一金屬板最短、第二、四金屬板的長(zhǎng)度最長(zhǎng)且相等，第三金屬板的長(zhǎng)度略短于第二、四金屬板；c、第三金屬板的長(zhǎng)度與第一金屬板長(zhǎng)度的差值滿足由第二、四金屬板構(gòu)成的180°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式與第二、三金屬板或第三、四金屬板構(gòu)成的90°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式的相位相差180°；d、同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體的末端呈一定坡度的錐形。
因此，本發(fā)明插板式同軸微波模式變換器，從前到后被四塊金屬板依次分割為六段A段，由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體形成的同軸波導(dǎo)段；B段，由第一、二、三、四塊金屬板將同軸波導(dǎo)分割成的四個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)，其長(zhǎng)度為第一金屬板的長(zhǎng)度；C段，由第二、四金屬板形成的180°的扇形截面波導(dǎo)，和第二、三金屬板，第三、四金屬板分割成的兩個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)，它們的長(zhǎng)度為第三金屬板長(zhǎng)度與第一金屬板長(zhǎng)度的差值；D段，由第二、四金屬板形成的兩個(gè)180°的扇形截面波導(dǎo)，其長(zhǎng)度為第二、四金屬板與第三金屬板長(zhǎng)度之差值；E段，由外導(dǎo)體和呈一定坡度的錐形內(nèi)導(dǎo)體形成的同軸波導(dǎo)段；F段，僅由外導(dǎo)體形成的圓波導(dǎo)段。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)微波模式變換的過程如下A段為微波源輸入的同軸TEM模，該TEM模在B段轉(zhuǎn)換為四個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)中的TE11模，C段前端180°扇形截面波導(dǎo)和兩個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)中的TE11模微波電場(chǎng)的極化方向相反，而在C段末端兩種波導(dǎo)中的TEM模微波電場(chǎng)較之前端產(chǎn)生180°相位差，而使兩種波導(dǎo)中的電場(chǎng)極化方向由相反變?yōu)橄嗤?；D段的兩個(gè)180°扇形截面波導(dǎo)中傳輸?shù)囊彩请妶?chǎng)極化方向一致的TE11模，E段中的微波模式變換為同軸波導(dǎo)中的TE11模，F(xiàn)段的微波模式則變換為圓波導(dǎo)TE11模。從而完全了將同軸波導(dǎo)TEM模式到圓波導(dǎo)的TE11模式的變換。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是巧妙利用插入的四塊特定長(zhǎng)度與角度的金屬板，實(shí)現(xiàn)同軸TEM模到同軸TE11模式的轉(zhuǎn)換，再由同軸波導(dǎo)末端的錐體實(shí)現(xiàn)同軸TE11到圓波導(dǎo)TE11模式的變換。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微波的輸入輸出同軸；并且用屬于感性部件的金屬板實(shí)現(xiàn)變換，不會(huì)引起電場(chǎng)在波導(dǎo)內(nèi)的集中，可以承受高功率，其功率容量高。
上述同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體的前端呈一定坡度的錐形。該結(jié)構(gòu)為圓波導(dǎo)TM01-同軸TEM過渡段，從而可使本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)TM01模—同軸TEM模的變換，使本發(fā)明的用途更廣泛。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的后端面視圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例一圖1的NN′剖視圖。
圖3是圖1的MM′剖視圖。(本圖實(shí)際應(yīng)是波導(dǎo)后端朝下的垂直方向，但為便于與圖2對(duì)比觀察，將其反時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。)圖4中的A、B、C0、C1、D、E、F分圖分別是本發(fā)明實(shí)施例一的A段、B段、C段始端、C段末端、D段、E段、F段各段的剖面圖及其剖面上的電場(chǎng)極化方向示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例一轉(zhuǎn)換效率與頻率關(guān)系曲線。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例一反射損耗與頻率關(guān)系曲線。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例二的前端局部軸向剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1-3示出，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
為一種插板式同軸微波模式變換器，包括前部由內(nèi)導(dǎo)體6和外導(dǎo)體7構(gòu)成的同軸波導(dǎo)和后部由單純外導(dǎo)體7構(gòu)成的圓波導(dǎo)等，同軸波導(dǎo)的內(nèi)外導(dǎo)體之間軸向插有第一、二、三、四共四塊前端對(duì)齊的金屬板1、2、3、4，相鄰的任兩金屬板間呈90°角；第一金屬板1最短、第二、四金屬板2、4的長(zhǎng)度最長(zhǎng)且相等，第三金屬板3的長(zhǎng)度略短于第二、四金屬板2、4；第三金屬板3的長(zhǎng)度與第一金屬板1的長(zhǎng)度的差值滿足由第二、四金屬板2、4構(gòu)成的180°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式與第二、三金屬板2、3或第三、四金屬板3、4構(gòu)成的90°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式的相位相差180°。其具體長(zhǎng)度可依據(jù)后文關(guān)系式計(jì)算得出。
同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體6的末端呈一定坡度的錐形。
圖1-4示出，本發(fā)明插板式同軸微波模式變換器，從前到后被四塊金屬板依次分割為六段A段，由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體形成的同軸波導(dǎo)段；B段，由第一、二、三、四塊金屬板、1、2、3、4分割成的四個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)，其長(zhǎng)度為第一金屬板1的長(zhǎng)度；C段，由第二、四金屬板2、4形成的180°的扇形截面波導(dǎo)，和第二、三金屬板2、3，第三、四金屬板3、4分割成的兩個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)，它們的長(zhǎng)度為第三金屬板3長(zhǎng)度與第一金屬板1長(zhǎng)度的差值；D段，由第二、四金屬板2、4形成的兩個(gè)180°的扇形截面波導(dǎo)，其長(zhǎng)度為第二、四金屬板2、4與第三金屬板3長(zhǎng)度之差值；E段，由外導(dǎo)體7和呈一定坡度的錐形內(nèi)導(dǎo)體6形成的同軸波導(dǎo)段；F段，僅由外導(dǎo)體形成的圓波導(dǎo)段。
由于在C段，波導(dǎo)的一半為一個(gè)180°扇形截面波導(dǎo)，另一半為兩個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)。因兩部分波導(dǎo)形狀不同，在里面?zhèn)鬏數(shù)腡E11模的傳播常數(shù)β也不同，從而在C段的末端導(dǎo)致了兩部分電場(chǎng)的相位不同。當(dāng)?shù)谌饘侔?和第一金屬板1的長(zhǎng)度L3、L1滿足關(guān)系式(β1-β3)(L3-L1)＝π時(shí)，在C段的末端，兩部分扇形截面波導(dǎo)中的TE11模有180°的相位差，見圖4中的C0和C1的電場(chǎng)示意圖。式中β1、β3分別表示180°和90°扇形截面波導(dǎo)中TE11模的傳播常數(shù)。
圖4中的各分圖示出，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)微波模式變換的過程如下A段為微波源輸入的同軸TEM模，該TEM模在B段轉(zhuǎn)換為四個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)中的TE11模，C段前端180°扇形截面波導(dǎo)和兩個(gè)90°扇形截面波導(dǎo)中的TE11模微波電場(chǎng)的極化方向相反，而在C段末端兩種波導(dǎo)中的TEM模微波電場(chǎng)較之前端產(chǎn)生180°相位差，而使兩種波導(dǎo)中的電場(chǎng)極化方向由相反變?yōu)橄嗤?；D段的兩個(gè)180°扇形截面波導(dǎo)中傳輸?shù)囊彩请妶?chǎng)極化方向一致的TE11模，E段中的微波模式變換為同軸波導(dǎo)中的TE11模，F(xiàn)段的微波模式則變換為圓波導(dǎo)TE11模。從而完全了將同軸波導(dǎo)TEM模式到圓波導(dǎo)的TE11模式的變換。
下面給出本實(shí)施例用于3.8GHz的微波模式變換的具體設(shè)計(jì)尺寸輸入微波源為3.8GHz的微波，同軸波導(dǎo)的尺寸為，內(nèi)導(dǎo)體半徑2cm，外導(dǎo)體半徑4.5cm，所設(shè)計(jì)的模式變換器前部A段同軸波導(dǎo)的尺寸與微波源的同軸波導(dǎo)尺寸一致，即內(nèi)導(dǎo)體半徑2cm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑4.5cm，在B段之后插入的四塊金屬板厚度不限，為減少反射可以稍微薄一點(diǎn)，如取0.3cm。第三金屬板3和第一金屬板1長(zhǎng)度L3、L1的差值L3-L1＝π/β1-β3，其中β1為C段的180°扇形截面波導(dǎo)中TE11模的傳播常數(shù)，β3為C段中90°扇形截面波導(dǎo)中TE11模的傳播常數(shù)，它們均可通過計(jì)算獲得，本應(yīng)用例中經(jīng)計(jì)算L3-L1＝12.3cm，若取L1＝0.3cm，則L3＝12.6cm，第二、四金屬板2、4長(zhǎng)度相同，且略大于第三金屬板3長(zhǎng)度L3，這里取L2＝L4＝14.5cm。在模式變換器的E段，內(nèi)導(dǎo)體6為呈一定坡度的錐體，在滿足使錐體處產(chǎn)生的反射波和同軸波導(dǎo)插入金屬板所產(chǎn)生的反射波相互抵消的條件下，具體參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件計(jì)算。如在本具體應(yīng)用例中可選錐體的高度為1.5cm，頂部半徑0.5cm，錐體底部距插板3、4后邊沿的距離為2.9cm。
根據(jù)上述參數(shù)所設(shè)計(jì)的一個(gè)具體的用于3.8GHz微波的模式變換器的轉(zhuǎn)換效率Conversionη與頻率Frequency/GHz的關(guān)系見圖5，反射損耗Return Loss/dB與頻率Frequency/GHz的關(guān)系見圖6?？梢钥吹皆谥行念l率上轉(zhuǎn)換效率為98.5％、反射損耗為0.023dB，轉(zhuǎn)換效率帶寬(η＞90％)超過10％，在3.5GHz-4.1GHz的頻率范圍內(nèi)反射損耗低于0.3dB。而且在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)模式變換器內(nèi)有電場(chǎng)局部集中的問題。
實(shí)施例2圖7示出，本例的模式變換器的結(jié)構(gòu)與實(shí)施一唯一不同之處是，同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體6的前端呈一定坡度的錐形，其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施一相同。該結(jié)構(gòu)為圓波導(dǎo)TM01-同軸TEM過渡段，這樣本例的模式變換器可實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)TM01模—同軸TEM模的變換。
下面給出本實(shí)施例的用于3.8GHz的微波模式變換的具體設(shè)計(jì)尺寸微波源輸出頻率為3.8GHz的圓波導(dǎo)TM01模，波導(dǎo)半徑為b＝4.5cm。將實(shí)施例1中的模式變換器內(nèi)導(dǎo)體前端設(shè)計(jì)成圖5所示的錐體形狀，其它參數(shù)、尺寸與實(shí)施例一中的具體設(shè)計(jì)相同，即可實(shí)現(xiàn)該微波源的圓波導(dǎo)TM01-TE11模式變換。
權(quán)利要求
1.一種插板式同軸微波模式變換器，包括前部由內(nèi)導(dǎo)體(6)和外導(dǎo)體(7)構(gòu)成的同軸波導(dǎo)和后部由單純外導(dǎo)體(7)構(gòu)成的圓波導(dǎo)等，其特征在于a、所述的同軸波導(dǎo)的內(nèi)、外導(dǎo)體之間軸向插有第一、二、三、四共四塊前端對(duì)齊的金屬板(1、2、3、4)，相鄰的任兩金屬板間呈90°角；b、第一金屬板(1)最短、第二、四金屬板(2、4)的長(zhǎng)度最長(zhǎng)且相等，第三金屬板(3)的長(zhǎng)度略短于第二、四金屬板；c、第三金屬板(3)的長(zhǎng)度與第1金屬板長(zhǎng)度的差值滿足由第二、四金屬板構(gòu)成的180°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式與第二、三金屬板或第三、四金屬板構(gòu)成的90°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式的相位相差180°；d、同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體(6)的末端呈一定坡度的錐形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種插板式同軸微波模式變換器，其特征在于所述同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體(6)的前端呈一定坡度的錐形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種插板式同軸微波模式變換器，它的同軸波導(dǎo)的內(nèi)、外導(dǎo)體之間軸向插有第一、二、三、四共四塊前端對(duì)齊的金屬板，相鄰的任兩金屬板間呈90°角；第一金屬板最短、第二、四金屬板的長(zhǎng)度最長(zhǎng)且相等，第三金屬板的長(zhǎng)度略短于第二、四金屬板；第三金屬板的長(zhǎng)度與第1金屬板長(zhǎng)度的差值滿足由第二、四金屬板構(gòu)成的180°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式與第二、三金屬板或第三、四金屬板構(gòu)成的90°扇形截面波導(dǎo)中的微波電場(chǎng)模式的相位相差180°。該種轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)同軸TEM模－圓波導(dǎo)TM
文檔編號(hào)H01P5/00GK1681154SQ200410022230
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2004年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月6日
發(fā)明者劉慶想 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)