專利名稱：微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波電子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于高功率微波傳輸與輻射裝置。
背景技術(shù)：
隨著等離子體技術(shù)、脈沖功率技術(shù)的進(jìn)步以及復(fù)雜PIC模擬工具的發(fā)展，高功率微波技術(shù)也迅速地發(fā)展起來，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了極大的進(jìn)展，先后出現(xiàn)了很多種不同類型的高功率微波源。許多高功率微波源，如軸向提取的虛陰極振蕩器、相對(duì)論返波管、三腔渡越時(shí)間振蕩器、多波契倫克夫發(fā)生器等的幾何結(jié)構(gòu)都是旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的，其最終的輸出微波模式都是圓波導(dǎo)軸對(duì)稱?；蛲S波導(dǎo)軸對(duì)稱模。由于其輸出端口的口徑場(chǎng)分布具有圓對(duì)稱性，將導(dǎo)致軸向?yàn)榱愕沫h(huán)狀遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。這種微波輻射場(chǎng)能量分散，不便于高功率微波的定向輻射。為了得到方向集中的微波輻射，需要設(shè)計(jì)軸對(duì)稱模式輻射天線。這種輻射天線通常情況下可以分成三種一是模式轉(zhuǎn)換器和輻射喇叭的結(jié)構(gòu)；二是Vlasov天線；三是Cobra (Coaxial Beam-Roatating Antenna)天線。Vlasov天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是其方向圖特性不理想，增益不高；Cobra天線具有寬頻帶，方向性好，可以產(chǎn)生任意方向極化波的特點(diǎn)，但是為了獲得高增益其尺寸較大，不利于結(jié)構(gòu)小型化；目前在小型化、緊湊型高功率微波源設(shè)計(jì)方面應(yīng)用得比較成功的設(shè)計(jì)方案是模式轉(zhuǎn)換器和輻射喇叭的結(jié)構(gòu)。名稱為“同軸插板式TEM-TE11模式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究”的文章(強(qiáng)激光與粒子束，2005年第17卷第6期，p897)提出一種插板式模式轉(zhuǎn)換器，將同軸波導(dǎo)分成相速度不等的多個(gè)扇形波導(dǎo)分區(qū)，利用微波在各分區(qū)內(nèi)相位傳播速度不同來實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。但是電磁波在各分區(qū)之間相速度差值有限，因此要實(shí)現(xiàn)TEM-TE11的模式轉(zhuǎn)換需要很長(zhǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了縮短插板式結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，名稱為“L波段磁絕緣線振蕩器一體化輻射天線”的文章(強(qiáng)激光與粒子束，2008年第20卷第3期，p435)提出了一種插板與介質(zhì)移相相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，使模式轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)度大大減小，但是功率容量問題仍然是該類結(jié)構(gòu)的瓶頸。名稱為“緊湊型圓極化模式轉(zhuǎn)換器”的文章(強(qiáng)激光與粒子束，2009年第21卷第3期，p411)提出了一種折疊波導(dǎo)式模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)交叉的十字形波導(dǎo)將軸向傳播的電磁波引入具有不同長(zhǎng)度的幾個(gè)橫向波導(dǎo)中，利用電磁波在橫向波導(dǎo)中的路程差產(chǎn)生相位差，實(shí)現(xiàn)TEM-TE11模式轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)具有較高的功率容量，并且可以減小系統(tǒng)的軸向長(zhǎng)度，但是卻在橫向尺度上加大了系統(tǒng)尺寸，特別是在低頻段，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了使模式轉(zhuǎn)換器既能實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換功能，又不增加系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)還能做到結(jié)構(gòu)緊湊，本發(fā)明提供一種微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)TEMztMcil模到TE11模的模式轉(zhuǎn)換，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)是，所述的模式轉(zhuǎn)換器包括內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、支撐桿；內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的外形均由半徑不同的同軸心圓筒體構(gòu)成，內(nèi)導(dǎo)體通過多根支撐桿固定在外導(dǎo)體內(nèi)，每根支撐桿的兩端分別與內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體固定連接。所述的支撐桿的截面形狀為方形、圓形，或其它形狀。支撐桿數(shù)目大于三組，每組包含支撐桿的數(shù)量為三根以上；支撐桿沿圓周方向非均勻設(shè)置。本發(fā)明中通過周期性排列的多組支撐桿將內(nèi)、外導(dǎo)體組成的同軸波導(dǎo)沿圓周方向分成大致相等的兩個(gè)區(qū)域；其中一個(gè)區(qū)域內(nèi)分布有多根具有一定角度間隔的支撐桿，形成扇形波導(dǎo)內(nèi)的微波光子晶體；另一個(gè)區(qū)域內(nèi)為扇形波導(dǎo)；兩個(gè)區(qū)域之間可以在相交邊界上通過金屬板分開，也可以不設(shè)置金屬板分隔。本發(fā)明的模式轉(zhuǎn)換器沿微波傳播方向分為微波輸入口、模式轉(zhuǎn)換區(qū)、微波輸出口三大功能部分。其中，模式轉(zhuǎn)換區(qū)為插入多根支撐桿的同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；微波輸入口和微波輸出口既可以為同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，也可以為空心圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸在三個(gè)功能區(qū)域可以不相等。微波輸入口與微波源或上一級(jí)傳輸裝置相連，微波通過輸入口進(jìn)入模式轉(zhuǎn)換器；微波輸出口與下一級(jí)傳輸裝置或輻射裝置相連，將完成模式轉(zhuǎn)換后的微波輸出。本發(fā)明的模式轉(zhuǎn)換器的工作原理是TEM模式或TMtll模式的微波進(jìn)入模式轉(zhuǎn)換器，通過微波輸入口后，以TEM模的形式進(jìn)入模式轉(zhuǎn)換區(qū)。在模式轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)，TEM模的微波沿角向被分成兩部分，一部分沿光子晶體區(qū)域傳播，另一部分沿扇形波導(dǎo)區(qū)域傳播。由于微波在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)傳播相速度不同，在同等傳輸距離條件下，二者會(huì)產(chǎn)生一定相位差。選擇恰當(dāng)?shù)膫鬏斁嚯x(即模式轉(zhuǎn)換區(qū)長(zhǎng)度)，使兩部分微波在到達(dá)模式轉(zhuǎn)換區(qū)末端時(shí)，相位差為180度。這樣，在模式轉(zhuǎn)換區(qū)末端，兩部分微波將合成同軸波導(dǎo)中的TE11模式，然后經(jīng)由微波輸出口向下游傳輸。本發(fā)明的模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，具有很高的功率容量，可以在約1個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度內(nèi)完成模式轉(zhuǎn)換，且不增加系統(tǒng)橫向尺寸，能很好地應(yīng)用于體積小、質(zhì)量輕的緊湊型窄帶高功率微波傳輸與發(fā)射系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器實(shí)施例1的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1.內(nèi)導(dǎo)體I31.內(nèi)導(dǎo)體II
51.內(nèi)導(dǎo)體IV2.外導(dǎo)體I32.外導(dǎo)體II
52.外導(dǎo)體IV3.支撐桿I33.支撐桿II
53.支撐桿IV。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1
圖1是本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1的橫截
41.內(nèi)導(dǎo)體III
42.外導(dǎo)體III
43.支撐桿III面視圖。在圖1和圖2中，本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器包括內(nèi)導(dǎo)體I 1、外導(dǎo)體I 2、支撐桿；內(nèi)導(dǎo)體I 1和外導(dǎo)體I 2的外形均由半徑不同的同軸心圓筒體構(gòu)成，內(nèi)導(dǎo)體I 1通過多根支撐桿固定在外導(dǎo)體I 2內(nèi)，每根支撐桿的兩端分別與內(nèi)導(dǎo)體I 1、外導(dǎo)體I 2固定連接。所述的支撐桿的截面形狀為方形；支撐桿數(shù)目為三組，每組包含支撐桿數(shù)目為六根，支撐桿I 3為其中一根。支撐桿沿圓周方向非均勻分布。在本實(shí)施例中，微波輸入口外導(dǎo)體I 2的半徑為11.5cm，內(nèi)導(dǎo)體I 1的半徑為6. Ocm ；模式轉(zhuǎn)換區(qū)外導(dǎo)體I 2的半徑為11. 5cm,內(nèi)導(dǎo)體I 1的半徑為5. 4cm ；微波輸出口外導(dǎo)體I 2的半徑為11. 5cm,內(nèi)導(dǎo)體I 1的半徑為5. 4cm0在模式轉(zhuǎn)換區(qū)，相鄰兩組支撐桿之間間隔6. 85cm ；支撐桿截面為正方形，邊長(zhǎng)為0. 4cm ；每組支撐桿中，沿圓周方向相鄰兩根支撐桿之間夾角為39度。在仿真計(jì)算中，該模式轉(zhuǎn)換器在中心頻率1. 58GHz上轉(zhuǎn)換效率為93%，功率容量為11. 8GW，模式轉(zhuǎn)換區(qū)軸向長(zhǎng)度為0. 74個(gè)微波波長(zhǎng)。實(shí)施例2
圖3是本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是微波輸入口無(wú)內(nèi)導(dǎo)體，用于連接空心波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，微波輸入口外導(dǎo)體II 32的半徑為11. 5cm ；模式轉(zhuǎn)換區(qū)外導(dǎo)體II 32的半徑為11. 5cm,內(nèi)導(dǎo)體II 31的半徑為5. 4cm ；微波輸出口外導(dǎo)體II 32的半徑為11. 5cm,內(nèi)導(dǎo)體II 31的半徑為5. 4cm0在模式轉(zhuǎn)換區(qū)，相鄰兩組支撐桿之間間隔6. 85cm ；支撐桿截面為正方形，邊長(zhǎng)為0. km，支撐桿II 33為其中一根。每組支撐桿中，沿圓周方向相鄰兩根支撐桿之間夾角為39度；模式轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)導(dǎo)體前端為錐形結(jié)構(gòu)，其半徑分別為2. 37cm和5. 4cm,長(zhǎng)度為3. Scm0。在仿真計(jì)算中，該模式轉(zhuǎn)換器在中心頻率1. 58GHz上轉(zhuǎn)換效率為92%，功率容量為11GW，模式轉(zhuǎn)換區(qū)軸向長(zhǎng)度為1.06個(gè)微波波長(zhǎng)。實(shí)施例3
圖4是本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是微波輸出口無(wú)內(nèi)導(dǎo)體，用于連接空心波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)，支撐桿截面形狀為圓形。在本實(shí)施例中，微波輸入口外導(dǎo)體III 42的半徑為10. 8cm,內(nèi)導(dǎo)體III 41的半徑為5. 4cm ；模式轉(zhuǎn)換區(qū)外導(dǎo)體III 42的半徑為9. Icm,內(nèi)導(dǎo)體III 41的半徑為5. 4cm ；微波輸出口外導(dǎo)體III 42的半徑為9. Icm0在模式轉(zhuǎn)換區(qū)，相鄰兩組支撐桿之間間隔6. 9cm ；支撐桿截面為圓形，半徑為0.2cm，支撐桿III 43為其中一根。每組支撐桿中，沿圓周方向相鄰兩根支撐桿之間夾角為42. 2度；模式轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)導(dǎo)體后端為錐形結(jié)構(gòu)，其半徑分別為5. 4cm和2. 45cm,長(zhǎng)度為5. 5cm。在仿真計(jì)算中，該模式轉(zhuǎn)換器在中心頻率1. 57GHz上轉(zhuǎn)換效率為98%，功率容量為6. 50GW，模式轉(zhuǎn)換區(qū)軸向長(zhǎng)度為1. 15個(gè)微波波長(zhǎng)。實(shí)施例4
圖5是本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是微波輸入口和輸出口均無(wú)內(nèi)導(dǎo)體，用于連接空心波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)，支撐桿截面形狀為六邊形。在本實(shí)施例中，微波輸入口外導(dǎo)體IV 52的半徑為10. 8cm ；模式轉(zhuǎn)換區(qū)外導(dǎo)體IV 52的半徑為9. Ocm,內(nèi)導(dǎo)體IV 51的半徑為5. 4cm ；微波輸出口外導(dǎo)體IV 52的半徑為9. Ocm0在模式轉(zhuǎn)換區(qū)，相鄰兩組支撐桿之間間隔7. 15cm ；支撐桿截面為六邊形，邊長(zhǎng)為0. 22cm，，支撐桿IV 53為其中一根。每組支撐桿中，沿圓周方向相鄰兩根支撐桿之間夾角為40度；模式轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)導(dǎo)體前端為錐形結(jié)構(gòu)，其半徑分別為2. 93cm和5. km，長(zhǎng)度為4. 3cm ；模式轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)導(dǎo)體后端為錐形結(jié)構(gòu)，其半徑分別為5. 4cm和2. 6cm，長(zhǎng)度為5. 52cm。在仿真計(jì)算中，該模式轉(zhuǎn)換器在中心頻率1. 54GHz上轉(zhuǎn)換效率為97%，功率容量為6. 16GW，模式轉(zhuǎn)換區(qū)軸向長(zhǎng)度為1.39個(gè)微波波長(zhǎng)。
實(shí)施例5
本實(shí)施例與實(shí)施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，不同之處是所設(shè)置的支撐桿為四組，每組六根。在仿真計(jì)算中，該模式轉(zhuǎn)換器在中心頻率1. 75GHz上轉(zhuǎn)換效率為94%，功率容量為13GW，模式轉(zhuǎn)換區(qū)軸向長(zhǎng)度為1. 22個(gè)微波波長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1.一種微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的模式轉(zhuǎn)換器包括內(nèi)導(dǎo)體(1)、外導(dǎo)體O)、支撐桿；內(nèi)導(dǎo)體(1)和外導(dǎo)體(2)的外形均由半徑不同的同軸心圓筒體構(gòu)成，內(nèi)導(dǎo)體(1)通過多根支撐桿固定在外導(dǎo)體(2)內(nèi)，每根支撐桿的兩端分別與內(nèi)導(dǎo)體(1)、外導(dǎo)體(2)固定連接；所述的支撐桿沿圓周方向非均勻設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的支撐桿的截面形狀為方形或圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的支撐桿為三組以上，每組包含支撐桿的數(shù)量為三根以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，所述模式轉(zhuǎn)換器包括內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、支撐桿，內(nèi)導(dǎo)體通過多根支撐桿與外導(dǎo)體固定連接。通過沿圓周方向非均勻分布的多組支撐桿將同軸波導(dǎo)分為兩個(gè)扇形區(qū)域。其中一個(gè)區(qū)域是由周期性排列的支撐桿組成的微波光子晶體區(qū)，另一個(gè)區(qū)域是扇形波導(dǎo)區(qū)。微波在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)傳播相速度不同，通過適當(dāng)選擇模式轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)度，當(dāng)微波傳過兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生相位差為180度時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)TEM-TE11模的模式轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，功率容量高，可以在約1個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度內(nèi)完成模式轉(zhuǎn)換，且不增加系統(tǒng)橫向尺寸。本發(fā)明的模式轉(zhuǎn)換器能很好地應(yīng)用于體積小、質(zhì)量輕的緊湊型窄帶高功率微波傳輸與發(fā)射系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01P1/16GK102569950SQ20111044639
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者王冬, 金曉 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所