一种低阶边廊模波导辐射器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种低阶边廊模波导辐射器，从输入端到输出端依次由输入圆筒、微扰结构、螺旋切口结构三部分组成；所述三个组成部分为外壁半径相同的圆柱，三个组成部分的内壁连续，且三个组成部分同轴心；本实用新型可实现低阶边廊模式微波向基模高斯波束能量高效率转换，降低反射和衍射等有害能量扰动，以推动低阶边廊模准光模式转换器向结构更紧凑、更高能量转换效率、更高工作功率、更长工作时间发展。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及毫米波天线【技术领域】，尤其是一种具体是指一种将低阶边廊模转 换为高斯模式的波导辐射器。 一种低阶边廊模波导辐射器
【背景技术】
[0002] 在ITER、高分辨率毫米波雷达和通信、材料处理等应用推动下，利用电子回旋 谐振脉塞不稳定性（ECRM)工作的回旋脉塞类器件向高功率、高频率的方向发展，其工 作模式逐渐开始采用低损耗的高阶腔体模式，通常典型采用的工作模式有角向对称模 (ΤΕ^,ΤΜ^Ο?Μ))和边廊模（Whispering Gallery Mode) (TEm，n,TMm，n(m>l, η 彡 1)。然而这 些回旋振荡器谐振腔或者放大器互作用腔产生的千瓦级、兆瓦级高阶腔体模式在输出空间 传输过程中存在严重的绕射和极化损耗，严重影响器件工作的稳定性、功率容量和能量转 换效率，必须将这些高阶模式进行降阶处理。
[0003] 在圆波导内常用的降阶器件有波导模式转换器和波导辐射器。采用传统的波 导模式转换器不仅在限制寄生模式上设计非常困难，而且一般体积庞大，加工困难，以 至于完全不能在回旋脉塞器件工程实践中使用。作为准光模式转换器核心部件的波导 辐射器结构紧凑，能直接将高阶腔体模式高效转换为基模高斯波束，可以有效解决这一 技术难题。同时采用波导辐射器还可以将电子束与微波分离，方便回旋脉塞器件降压 收集器设计，以进一步提高大功率毫米波系统效率（Thumm，M. "State-of-the-Art of High Power Gyro-devices and Free Electron Masers, 1994.，'Forschungszentrum Karlsruhe FZKA5564, Germany, 1995 ；see also updated versions, FZKA5728, 1996and FZKA6060, 1998)。
[0004] 目前国内外已研制的波导辐射器主要是针对角向对称模式（如TEQ，3) Vlasov辐 射器和高阶边廊模（TEm，n，TMm， n(m?l，n>>l)(典型如俄罗斯应用物理所为ITER研制的 1丽170GHz回旋管工作在TE 25，1(i模式）Denisov辐射器。这两种波导辐射器工作在低阶边廊 模式（如TE 6,2)时，辐射器壁的边缘场场强高，易击穿，同时切口处衍射和反射大，导致功率 转换效率低（小于90% )(牛新建等，94GhzTE6,2模内置准光模式变换器，红外与毫米波学 报，第30卷第5期，211年11月，p429)。
[0005] 因此需设计一种工作于低阶边廊模的紧凑波导辐射器，实现低阶边廊模式向基模 高斯波束的高效率转换，以推动低阶边廊模器件发展。 实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是在上述现有技术的基础上，提供一种低阶边廊模波导辐射 器，该波导辐射器能实现低阶边廊模（如TE 6,2)到基模高斯波束的高效率转换，且结构紧 凑。
[0007] -种低阶边廊模波导辐射器，从输入端到输出端依次由输入圆筒、微扰结构、螺旋 切口结构三部分组成；所述三个组成部分为外壁半径相同的圆柱，三个组成部分的内壁连 续，且三个组成部分同轴心。
[0008] 进一步优先的，所述微扰结构的半径为：
[0009] ^ R(z) + αζ + ?ιδΙι cos(/,,^ + Δ/?/;ζ) h 二1
[0010] 其中：
[0011] Λ β 1 = kzni，n-kzni±1，n，1! = ±1
[0012] Λ β 2 = kzni，n-kzni± Ληι，ΜΛη，12 = ± Λ m
[0013] z为微扰结构沿着轴向的长度z>0, R(z)是微扰结构输入端圆筒内半径，心^是 TEm，n，TMm， n模式纵向波数，α为波导张角α彡0° ;
[0014] ^取正对应于输入TEm;n，TMm，n模式为右旋极化，取负对应于输入TE m;n，TMm，n模式为 左旋极化；
[0015] Δπι = π/θ, θ = arcos (m/xm；n)；
[0016] δ h为微扰的幅度，Xm n为m阶bessel函数导数的第n个零点。
[0017] 进一步优先的，所述微扰结构内半径沿着轴向周期排布构成。
[0018] 进一步优先的，所述螺旋切口结构的内壁为微扰结构内壁的延续，且螺旋切口结 构为标准的一周期螺旋切口。
[0019] 进一步优先的，所述的输入圆筒、微扰结构、螺旋切口结构均为导电金属材料制 成。
[0020] 本实用新型还提供一种低阶边廊模波导辐射器，从输入端到输出端依次由输入圆 筒、微扰结构、螺旋切口结构三部分组成；所述三个组成比部分从输入圆筒起到螺旋切口结 构外壁半径连续变大，呈梯形圆锥结构，三个组成部分的内壁连续，所有的圆对称结构且同 轴心。
[0021] 本实用新型中，在高次模式的辐射器输出结构中，用在波导内壁上来回反射的几 何光学波束来代替波导内所有的波阵面。如图2所示，输入波导辐射器内平行、均匀分布的 射线，其分布满足（TE m，n，TMm，n模式分布）经过辐射器微扰结构多次微小扰动后，发生群聚， 然后按照辐射器长度最短化和切口处电流最小化的原则，得到辐射器的螺旋切口。
[0022] 本实用新型的波导辐射器结构和工作原理为：通过微扰结构将波导辐射器中输入 的低阶边廊模式转换为具有不同模式成分的混合模式。在同等传输距离，由于这些模式的 轴向波数不相等，这些模式会产生一定的相移；选择恰当的传输距离，使这些模式相互叠加 后，在辐射器内壁局部区域的壁电流呈准高斯分布状态，然后按照辐射器长度最短化（结 构紧凑化）和切口处电流最小化的原则，用螺旋线将该处壁电流区域切除，得到辐射器的 螺旋切口结构。
[0023] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
[0024] 本实用新型可实现低阶边廊模式微波向基模高斯波束能量高效率转换，降低反射 和衍射等有害能量扰动，以推动低阶边廊模准光模式转换器向结构更紧凑、更高能量转换 效率、更高工作功率、更长工作时间发展；进而推动低阶边廊模回旋脉塞器件的向结构更紧 凑、更高能量转换效率、更高工作功率、更长工作时间发展；推动我国在ITER、高分辨率毫 米波雷达和通信、材料处理等大功率毫米波应用领域的进步。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0026] 图1是低阶边廊模波导辐射器的结构剖视示意图；
[0027] 图2是低阶边廊模波导辐射器纵向剖面图示意图；
[0028] 图3是TE6,2辐射器微扰结构示意图；
[0029] 图4是辐射器展开波导壁电流分布；
[0030] 其中：1是输入圆筒，2是微扰结构，3是螺旋切口结构。
【具体实施方式】
[0031] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0032] 如图1所示，本实用新型的一种低阶边廊模波导辐射器，由输入圆筒、微扰结构、 螺旋切口结构三个部分组成，三个部分均为导电性良好的金属导体结构，一般采用无氧铜 等导电性强的金属。三个部分为连续一体的结构组件，三个部分的外壁为半径相同的圆柱； 或者从输入圆筒到微扰结构再到螺旋切口结构的外壁半径连续变大的梯形圆锥结构，且三 个部分的圆对称结构同轴心。
[0033] 根据上述工作原理，本设施例设计了一个工作频率96GHz，输入圆波导半径6. 4mm 的1&2模式波导辐射器。辐射器微扰结构参数δ h与微扰段轴线z的关系如图3所示。考 虑525个TE模式和525个TM模式间的耦合得到微扰段波导壁电流随角向相位和轴向传 播距离的分布如图4所示，按照辐射器长度最短化和切口处电流最小化的原则，得到辐射 器的螺旋切口位置，如图4中的黑色折线所示。螺旋切口处电流幅度相对于电流汇聚中心 低-16. 3dB。微扰结构段34mm，螺旋切口段长18mm。获取的辐射场束腰半径为4. 05mm，高 斯含量超过93 %，能量转换效率为96. 51 %。
[0034] 通过本实用新型，可以研制出低阶边廊模波导辐射器，以解决角向对称模式的 Vlasov辐射器和高阶边廊模Denisov辐射器工作在低阶边廊模式时切口边缘场场强大，绕 射损失高，转换效率不高的难题。
[0035] 本实用新型并不局限于前述的【具体实施方式】。本实用新型扩展到任何在本说明 书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组 合。
【权利要求】
1. 一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为从输入端到输出端依次由输入圆筒、微扰结 构、螺旋切口结构三部分组成；所述三个组成部分为外壁半径相同的圆柱，三个组成部分的 内壁连续，且三个组成部分同轴心。
2. 根据权利要求1所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述微扰结构的内半 径为： 2 (灰ζ) = /?(ζ) + αζ + 艺?:', cc〇 + Δ/?λζ) h^\ 其中： Λ β 1 = kzni，n-kzni±1，n，1! = ±1 Δ β 2 - kzm，n_kzm± Απι,πιιΔη，工2 - 土八 m ζ为微扰结构沿着轴向的长度ζ>0, R(z)是微扰结构输入端圆筒内半径，Kzm，n是 TEm，n，TMm，n模式纵向波数，α为波导张角α彡0° ; h取正对应于输入TEm;n，TMm，n模式为右旋极化，取负对应于输入TE m;n，TMm，n模式为左旋 极化； Δ m = π / θ , Θ = arcos (m/xm；n)； δ h为微扰的幅度，xm;n为m阶bessel函数导数的第η个零点。
3. 根据权利要求2所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述微扰结构内半径 沿着轴向周期排布构成。
4. 根据权利要求1或3所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述螺旋切口结 构的内壁为微扰结构内壁的延续，且螺旋切口结构为标准的一周期螺旋切口。
5. 根据权利要求1所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述的输入圆筒、微 扰结构、螺旋切口结构均为导电金属材料制成。
6. -种低阶边廊模波导辐射器，其特征为从输入端到输出端依次由输入圆筒、微扰结 构、螺旋切口结构三部分组成；所述三个组成比部分从输入圆筒起到螺旋切口结构外壁半 径连续变大，呈梯形圆锥结构，三个组成部分的内壁连续，所有的圆对称结构且同轴心。
7. 根据权利要求6所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述微扰结构的内半 径为： ^ R(z) + αζ + cos(/,> + Δ/?λζ) h:\ 其中： Λ β 1 = kzni，n-kzni±1，n，1! = ±1 Δ β 2 - kzm，n_kzm± Απι,πιιΔη，工2 - 土八 m Ζ为微扰结构沿着轴向的长度ζ>0, R(z)是微扰结构输入端圆筒内半径，Kzm，n是 TEm，n，TMm，n模式纵向波数，α为波导张角α彡0° ; h取正对应于输入TEm;n，TMm，n模式为右旋极化，取负对应于输入TE m;n，TMm，n模式为左旋 极化； Δ m = π / θ , Θ = arcos (m/xm；n)； δ h为微扰的幅度，xm;n为m阶bessel函数导数的第η个零点。
8. 根据权利要求7所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述微扰结构内半径 沿着轴向周期排布构成。
9. 根据权利要求6或8所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述螺旋切口结 构的内壁为微扰结构内壁的延续，且螺旋切口结构为标准的一周期螺旋切口。
10. 根据权利要求6所述的一种低阶边廊模波导辐射器，其特征为所述的输入圆筒、微 扰结构、螺旋切口结构均为导电金属材料制成。
【文档编号】H01P1/16GK203895575SQ201420309866
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】薛长江, 屈劲, 余川, 孟凡宝, 徐刚, 胡进光, 陈世韬, 施美友 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所