本發(fā)明屬于大功率微波傳輸器件領(lǐng)域，具體涉及一種適用于te1,1模回旋行波管的緊湊型過模波導(dǎo)彎頭。

背景技術(shù)：

大功率微波毫米波在遠(yuǎn)距離高分辨率雷達(dá)、電子回旋諧振加熱、超級干擾機(jī)、加速器、精細(xì)陶瓷燒結(jié)、材料表面處理、等離子體化學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用?；匦胁ü芫哂懈吖β省掝l帶的特點(diǎn)，是微波毫米波頻段上的理想大功率源。te1,1模是圓波導(dǎo)基模，選用其作為工作模式，有利于減少器件內(nèi)模式競爭、提高器件增益，因而是回旋行波管常用的工作模式。根據(jù)回旋行波管的工作特性，輸出的te1,1模為圓極化狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需求的不同，有時需要使用大功率極化器將其轉(zhuǎn)換為特定極化波束。

在微波傳輸過程中，為了有效引導(dǎo)波束傳播、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊化布局，需要使用到波導(dǎo)彎頭來改變波束的傳播方向。出于滿足功率源輸出、降低傳輸系統(tǒng)的損耗的要求，傳輸鏈路上的器件包括波導(dǎo)彎頭均為過模器件(即器件的尺寸遠(yuǎn)大于工作波長)。過模器件內(nèi)存在的波導(dǎo)模式豐富，稍微的擾動均會容易激勵起寄生模式，降低傳輸性能。波束轉(zhuǎn)向會破壞傳輸線的均勻性，容易產(chǎn)生寄生模式。因此，抑制寄生模式的產(chǎn)生，保證輸出波束的極化特性是研制大功率過模波導(dǎo)彎頭的關(guān)鍵。目前，實(shí)現(xiàn)大功率微波有效轉(zhuǎn)彎的方式有：基于橢圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的彎頭、基于圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的彎頭和斜角彎頭。橢圓結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)彎頭在保證單模傳輸?shù)那闆r下，可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶高效率的模式傳輸。但是為了保障單模傳輸條件，橢圓波導(dǎo)尺寸較小，功率容量有限，難以實(shí)現(xiàn)大功率傳輸。此外，橢圓波導(dǎo)彎頭由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，對加工裝配的要求很高。圓波導(dǎo)彎頭引導(dǎo)te1,1模轉(zhuǎn)彎時，容易激勵起tm0,1模、te2,1模等寄生模式。為了提高傳輸效率，需要增大轉(zhuǎn)彎半徑，從而使得整個器件體積龐大。斜角彎頭通過鏡面反射的方式來實(shí)現(xiàn)波束的轉(zhuǎn)向。為了降低波束在鏡面處的衍射，需要利用模式變換段產(chǎn)生適當(dāng)比例的混合模式，其到達(dá)鏡面中心時束斑最小。斜角彎頭具有傳輸效率高、模式純度高等特點(diǎn)。但是，由于模式轉(zhuǎn)換段的使用，使得整個轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)體積龐大，不滿足大功率微波系統(tǒng)的緊湊化要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了滿足特定應(yīng)用系統(tǒng)對于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)縱向高度的要求，盡可能地提高大功率毫米波系統(tǒng)的緊湊化程度、傳輸效率和模式純度，本發(fā)明提出了一種適用于te1,1?；匦胁ü艿木o湊型過模波導(dǎo)彎頭，該彎頭可以在引導(dǎo)波束高效率轉(zhuǎn)彎的同時，根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)特定極化狀態(tài)的波束輸出，并且整個彎頭結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種緊湊型的大功率過模微波彎頭，包括90°彎曲矩形波導(dǎo)以及其兩端連接的兩段矩形-圓波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)，三段結(jié)構(gòu)內(nèi)部腔體連接處平滑過渡。

所述組成彎頭的三個部件通過凹凸法蘭相接，并在法蘭連接處配有定位銷釘，以保證裝配精度。

所述兩段矩形-圓波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)為半徑沿軸向從圓漸變?yōu)榫匦蔚倪^渡結(jié)構(gòu)，可以通過線性或非線性的方式來實(shí)現(xiàn)，其中作為輸入端的圓波導(dǎo)尺寸由前級微波輸入結(jié)構(gòu)決定，作為輸出端的圓波導(dǎo)尺寸由后續(xù)微波傳輸器件的輸入口結(jié)構(gòu)決定。

所述兩段矩形-圓波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)的長度可以相同，使得波導(dǎo)彎頭結(jié)構(gòu)呈對稱分布。

所述兩段矩形-圓波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)的長度可以不相同，使得波導(dǎo)彎頭結(jié)構(gòu)呈非對稱分布，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)需求，調(diào)增單邊高度，滿足特定系統(tǒng)的應(yīng)用。

所述90°彎曲矩形波導(dǎo)采用e面轉(zhuǎn)彎的結(jié)構(gòu)，即矩形波導(dǎo)的寬邊彎曲而長邊保持為一個平面，以擴(kuò)大轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外壁的面積，降低局部場強(qiáng)。

所述90°彎曲矩形波導(dǎo)的長邊a和窄邊b滿足：

p為最大傳輸功率，λ為工作頻率。

所述90°彎曲矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎時的變化曲線為1/4圓弧段。

所述波導(dǎo)彎頭兩端設(shè)有凹凸法蘭，方便與傳輸線系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步地，該彎頭設(shè)置有冷卻裝置。

所述冷卻裝置包括設(shè)置于90°彎曲矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)外壁的冷卻槽和帶有進(jìn)水口和出水口的蓋板組成。蓋板固定于冷卻槽外側(cè)，水流從蓋板其中一孔流入，另一孔流出。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可以采用普通銅材或鋁材加工。

波導(dǎo)彎頭工作時，te1,1模從圓-矩形波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)入彎頭內(nèi)部，經(jīng)過90°彎曲矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)后，從矩形-圓波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸出，完成波束傳播方向的轉(zhuǎn)向。具體地，緊湊型彎頭工作原理如下：從回旋行波管輸出的圓極化te1,1模波經(jīng)過圓-矩形波導(dǎo)過渡后，由于矩形波導(dǎo)的長寬邊的不同使得產(chǎn)生的正交極化方向上的te1,0模和te0,1模導(dǎo)波速度存在差別，從而存在相位差。進(jìn)而通過后續(xù)的90°彎曲矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎后，相位差進(jìn)一步擴(kuò)大。在輸出端，利用矩形-圓波導(dǎo)過渡段對輸出波束的相位根據(jù)輸出要求進(jìn)行最后的調(diào)整。在設(shè)計時，通過調(diào)整矩形波導(dǎo)的長寬尺寸、轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎時的變化曲線就可以調(diào)節(jié)兩個正交分量的相移差，控制正交極化方向上的相移量，從而實(shí)現(xiàn)特定極化方式的輸出。相較于圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎方式而言，矩形波導(dǎo)中模式分布間隔較遠(yuǎn)，不容易激勵起寄生模式，可以保證轉(zhuǎn)彎后的輸出模式的純度。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)本發(fā)明采用矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，通過選擇波導(dǎo)的截面尺寸、轉(zhuǎn)彎的曲線形狀及長度，就能夠控制波束的極化方式，有利于實(shí)現(xiàn)特定極化方式的輸出，而不需要額外的圓極化器，有利于減少大功率傳輸系統(tǒng)的損耗，提高傳輸系統(tǒng)的緊湊化程度。

(2)本發(fā)明采用矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎時微波以te1,0模和te0,1模的方式進(jìn)行傳輸，不易向其他模式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，有利于提高輸出波束的傳輸效率及輸出模式的純度。

(3)在本發(fā)明中可以采用非對稱結(jié)構(gòu)，減少波束在轉(zhuǎn)彎時單一方向上高度，滿足特定系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

(4)本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊性良好且易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明帶冷卻裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明內(nèi)部水槽結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)(剖視圖)。

圖4為本發(fā)明實(shí)施案例一的te1,1模式兩個極化方向的傳輸幅值曲線。

圖5為本發(fā)明實(shí)施案例一的te1,1模式兩個極化方向的相差曲線。

圖6為本發(fā)明實(shí)施案例二的te1,1模式兩個極化方向的傳輸幅值曲線。

圖7為本發(fā)明實(shí)施案例二的te1,1模式兩個極化方向的相差曲線。

附圖標(biāo)號說明：

圖1中：1.第一過渡段，2第二過渡段，3.90°彎曲矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，4.冷卻蓋板，a.冷卻裝置進(jìn)水口，b.冷卻裝置出水口。

圖2中：6.矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)冷卻槽結(jié)構(gòu)。

圖3中：7.凹凸法蘭，a.銷釘。

具體實(shí)際方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但是本發(fā)明的實(shí)施方式和要求保護(hù)的范圍并不局限于此。

一種緊湊型的大功率過模微波彎頭，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由外壁設(shè)置有冷卻槽的90°彎曲矩形波導(dǎo)殼體、帶有輸入輸出水管接口的蓋板和兩段矩形-圓波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)組成，三段結(jié)構(gòu)內(nèi)部腔體連接處平滑過渡，且兩過渡結(jié)構(gòu)分別通過凹凸法蘭固定連接于彎曲波導(dǎo)兩端。

該90°彎曲矩形波導(dǎo)的橫截面為矩形，波導(dǎo)按著中心光滑連續(xù)的軸線彎曲。在本實(shí)施例中，該部分我們以常曲率彎曲軸線為例進(jìn)行說明，該部分同樣可以采用多種不同的變曲率軸線來實(shí)現(xiàn)。

具體地，本發(fā)明在按如圖3所示的結(jié)構(gòu)工作時，te1,1模能量從法蘭饋入，進(jìn)入圓-矩形波導(dǎo)過渡后，轉(zhuǎn)化成了極化簡并的te0,1模和te1,0模。由于矩形波導(dǎo)邊長的不同，使得te0,1模和te1,0模的傳播常數(shù)不相等，從而出現(xiàn)相位差；進(jìn)入90°彎曲矩形波導(dǎo)，進(jìn)一步擴(kuò)大相位差；te0,1模和te1,0模進(jìn)入矩形-圓波導(dǎo)過渡后，對產(chǎn)生的相位差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)特定的極化狀態(tài)的波束輸出?？紤]在波束在轉(zhuǎn)彎時90°彎曲矩形波導(dǎo)的外壁場分布集中，因此在波導(dǎo)外壁刻有水槽，與帶有輸入輸出水管蓋板構(gòu)成冷卻系統(tǒng)。本發(fā)明外部整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，冷卻水從進(jìn)水口a端口進(jìn)入，吸收彎頭所產(chǎn)生的熱量，然后從出水口b端口流出。

下面給出了具體實(shí)施例一、實(shí)施例二的仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果：

在實(shí)施例一中，輸入波束為te1,1模圓極化波，輸入圓波導(dǎo)口徑為32mm，工作頻段為13ghz～16ghz，輸出波束仍然為圓極化波。本實(shí)施例中，彎頭內(nèi)部的結(jié)構(gòu)尺寸為：第一過渡段a的長度為38mm，90°彎曲矩形波導(dǎo)的截面尺寸為24.5mm*19.2mm，轉(zhuǎn)彎時的曲率半徑為52mm，第二過渡段b長度為60mm。

本實(shí)施例te1,1彎頭輸出模式的幅值隨頻率變化關(guān)系如圖4所示。工作頻率在13.5ghz～15.5ghz范圍內(nèi)，輸出的正交極化方向的幅值大于0.99，其中，對于水平極化而言，在頻點(diǎn)15.25ghz處，輸出可達(dá)最大，且最大輸出幅值可為0.995；對于垂直極化而言，在頻點(diǎn)13.75ghz處，輸出可達(dá)最大，且最大輸出幅值可為0.9975。本實(shí)施例te1,1彎頭輸出模式的相位隨頻率變化關(guān)系如圖5所示。工作頻率在13ghz～16ghz的范圍內(nèi)，輸出的兩個模式之間的最大幅值差小于1度，兩者幾乎完全一致。根據(jù)幅值相等、相位相差為零度的一對的正交極化波的組合仍然為線極化波，故本實(shí)施例結(jié)果表明提出的緊湊型過模波導(dǎo)彎頭方案實(shí)現(xiàn)了線極化波輸出。

在實(shí)施例二中，輸入波束為te1,1模圓極化波，輸入圓波導(dǎo)口徑為32mm，工作頻段為13ghz～16ghz，輸出波束為線極化波。本實(shí)施例中，彎頭內(nèi)部的結(jié)構(gòu)尺寸為：第一過渡段a的長度為38mm，90°彎曲矩形波導(dǎo)的截面尺寸為30mm*19.2mm，轉(zhuǎn)彎時的曲率半徑為52mm，第二過渡段b長度為70mm。

本實(shí)施例te1,1彎頭輸出模式的幅值隨頻率變化關(guān)系如圖6所示。工作頻率在13.25ghz～15.5ghz范圍內(nèi)，輸出的正交極化方向的幅值大于0.98，其中，對于水平極化而言，在頻點(diǎn)15.25ghz處，輸出可達(dá)最大，且最大輸出幅值可為0.999；對于垂直極化而言，在頻點(diǎn)14.12ghz處，輸出可達(dá)最大，且最大輸出幅值可為0.996。本實(shí)施例te1,1彎頭輸出模式的相位隨頻率變化關(guān)系如圖7所示。工作頻率在13ghz～16ghz的范圍內(nèi)，輸出的兩個模式之間的幅值差為72°-97°，其中在14.4ghz，相位差為90°。根據(jù)幅值相等、相位相差為90°的一對的正交極化波的組合為圓極化波，故本實(shí)施例結(jié)果表明提出的緊湊型過模波導(dǎo)彎頭方案實(shí)現(xiàn)了圓極化波輸出。

綜上所述，本發(fā)明提供的適用于te1,1模回旋行波管的緊湊型過模波導(dǎo)彎頭：通過采用矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)彎方式，不僅有利于降低了寄生模式的產(chǎn)生，提高轉(zhuǎn)彎效率及模式的純度，還利于輸出特定極化狀態(tài)的波束；通過控制圓-矩形波導(dǎo)過渡段的高度，可以減小波導(dǎo)彎頭的單邊高度，滿足特定應(yīng)用系統(tǒng)的需求。將本發(fā)明應(yīng)用到大功率回旋行波管的輸出系統(tǒng)中，在峰值功率160kw的輸入情況，系統(tǒng)正常工作。