TM01-TE11同轴向传输模式变换器的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南民族大学计算机科学与技术学院 作者:顾 玲

  基于弯曲波导的相关模式耦合理论,应用相位重匹配技术,通过数值优化计算得到TM01-TE11双弯过模圆波导模式变换器的最优几何结构参数以及相应的工作参数,设计了一款Ka波段的同向传输结构的TM01-TE11模式变换器。此变换器与非同向传输型TM01-TE11双弯过模圆波导模式变换器的相关参数进行对比研究,综合比较发现前者明显优于后者。实物测试结果和程序计算结果良好一致,表明其可以很好的满足系统应用要求。

  高功率微波器件通常用于产生千瓦或兆瓦量级功率的微波,其输出模式在轴向辐射呈现为非理想的空心圆锥状,一般为对称的高阶体模或高阶边廊模。然而该类模式不适用于对等离子体加热、雷达应用及其他方面的远距离传输,需要对其进行高功率模式转换。对于这些圆对称的模式,通常是将它转换成有一定极化方向且在轴向辐射最大的TE11或(HE11)模式,再通过天线把微波发射出去。诸如虚阴极振荡器、相对论返波管,其输出模式常是TM01模式或TM0n的混合模,其外接的波导模式变换器通常采用下面这个变换方式,实现高功率微波源到负载的远距离传输,且能保持较高的模式纯度和较低的欧姆损耗:TM0n-TM01-TE11-HE11(天线)。在上述变换方式中,TM0n-TM01的变换需采用周期性、轴对称半径微扰结构,将微波源输出的TM0n混合模转换为非极化的对称模TM01模式,而TM01模式转换成TE11模式,其器件结构外型有高斯型、立方型、圆弧形及正弦型多种,而TE11再通过直波导角向开槽结构(槽深从二分之一波长渐变为四分之一波长)进行模式转换成HE11模进行远距离传输。因此,对其中TM01-TE11模式模式变换段的结构和特性进行深入研究是非常必要的。

  对于高功率微波的传输情况下,波导的尺寸必须足够大,因而可以通过的模式也比较多,进而数值计算时就必须考虑到更多的微波模式及其间的互相耦合、波导壁损耗及选取合理的耦合模式等问题,同时还要考虑变换器跟整个传输系统进行适配,即模式变换器满足一定的尺寸及传输方向的约束条件。因此,必须从模式变换和适配传输两方面对模式变换器结构进行精心设计。

  4、结论

  设计了同向传输的TM01-TE11双弯模式变换器。通过在双圆弧弯曲波导中间对接处切向放置一段适当长度的直波导的方法,来调整相位就可以使得TM01-TE11模式变换器在实现同向传输、高转换效率及波导结构紧凑同时还具有更大带宽的特性。该模式变换器长度为450mm,计算机模拟及实物测试结果表明,模式转换效率达98.5%以上,带宽约为28%。实物测试结果和仿真计算结果具有良好的一致性。

  同时,在设计中发现,模式变换器的工作频率、波导半径及转换效率存在一定的比例关系,此特点为以后设计类似结构的波导模式变换器具有很好的参考价值。

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