新型宽带矩形波导TEn,0模式激励器的制作方法

本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种应用于毫米波和太赫兹波段的共焦波导回旋器件高频系统冷测试验的模式激励器。

背景技术：

近年来，国内外在毫米波、太赫兹频段共焦波导回旋器件(包括共焦波导回旋振荡管和共焦波导回旋行波管)的研制方面取得了很大进展。共焦波导结构是由MIT提出的一种新型的互作用结构，该结构具有良好的模式选择特性，使得回旋器件可以稳定工作于高次模状态，有效解决了传统回旋器件由于尺寸共度现象难于工作在W波段和更高的太赫兹频段的困难。在共焦波导回旋器件中，横向模式为HE_0,n(n≥2)模式。在研制共焦波导回旋器件时，需要对高频结构中工作模式和主要寄生模式的色散特性和损耗特性(回旋行波管)以及谐振腔Q值和谐振频率(回旋振荡管)进行冷测试验。要对共焦波导高频系统以上特性进行冷测，研制激励共焦波导中高次模式HE_0,n(n≥2)的模式激励器是必需的。冷测试验用模式激励器需要满足宽带、带内平坦度好等特性，一种可行的方案是将激励共焦波导HE_0,n模的模式激励器分两段分别进行设计：1)矩形波导TE_n,0模式激励器；2)矩形波导TE_n,0模到共焦波导HE_0,n模模式变换器。本发明主要针对第一段矩形波导TE_n,0模式激励器进行设计。电子科技大学郑源、王建勋等人2014年在《IEEE Transactions on Plasma Science》期刊的Extremely Broad Bandwidth Input/Output Coupling Structure Design for a Q-Band Sheet-Beam Traveling-Wave Tube中提出了一种E面多缝超宽带耦合器，该耦合器实现了将高频互作用结构中放大后的电磁波和电子注分离后从副波导中耦合输出。该结构在宽带范围内实现了主波导中TE₁₀模向副波导中TE₁₀模地有效耦合，但n≥3时难于在宽带范围内激励起高模式纯度的高阶模式TE_n,0。

技术实现要素：

本发明提出了一种新型的宽带矩形波导TE_n0(n＝1,2,3…)模式激励器。该模式激励器可在宽频带范围内激励起矩形波导中任意高次模式TE_n0模，特别是当n≥3时，采用H面Y型功分器将主波导输入信号自动分为双路等幅同相的信号同时向副波导进行多孔耦合以提高带宽。

本发明具体采用如下技术方案：

一种新型宽带矩形波导TE_n,0模式激励器，包括第一标准波导、H面Y型功分器、两个主波导、两个第二标准波导、以及副波导，其特征在于：所述H面Y型功分器的输入端与第一标准波导通过第一台阶渐变段固定连接，其两个输出端分别固定连接主波导。

所述两主波导末端通过第二台阶渐变段分别固定连接第二标准波导。

所述副波导位于主波导下方，通过两组耦合缝隙与主波导相连。

所述副波导的宽边尺寸为n倍主波导的尺寸，窄边尺寸保持一致，以保证主波导中传输的TE₁₀模与副波导中传输的TE_n0模具有相同的色散特性，其中n为≥3的整数。

所述两个主波导设置于副波导中TE_n0模式电场方向相同的位置，以保证同相加强耦合。

所述耦合缝隙为矩形，相对于中心线对称分布，缝宽从中心线开始由最大渐变到最小，且缝宽按照等比数列分布，降低输入端口电磁波反射并增加带宽。

所述主波导末端90°弯折，便于在测试过程中端接匹配负载，以吸收主波导中的剩余微波。

本发明的优点：

(1)H面Y型功分器将主波导输入信号自动分为双路等幅同相的信号同时向副波导进行耦合以增加耦合强度和带宽；

(2)采用E面耦合，与H面耦合相比，具有频带宽，耦合强度大，结构紧凑等优点；

(3)采用多缝耦合机制，各耦合缝相对于中心线对称分布，缝宽从中心线开始由最大渐变到最小，并遵循等比数列分布，降低电磁波反射并增加带宽。

附图说明

图1矩形波导TE₄₀模式激励器三维结构图。

图2矩形波导TE₄₀模式激励器y-z平面剖面图。

图3矩形波导TE₄₀模式激励器x-z平面剖面图。

图4矩形波导TE₄₀模式激励器的传输(Transmission)、反射(S₁₁)和直通(S₅₁，S₆₁)S参数曲线。

图5矩形波导TE₆₀模式激励器三维结构图。

图6矩形波导TE₆₀模式激励器的传输(Transmission)、反射(S₁₁)和直通(S₅₁，S₆₁)S参数曲线。

附图标号说明：

1.第一标准波导,2.第一台阶渐变段,3.H面Y型功分器,4.主波导,5.耦合缝隙,6.副波导,7.90°弯头,8.第二台阶渐变段,9.第二标准波导。

具体实施方式

矩形波导的截止波数可以表示为

$k_c=\sqrt{{\left(\frac{m\mathrm{\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{n\mathrm{\π}}{b}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中a，b分别为矩形波导的宽边和窄边，m，n分别表示宽边和窄边方向的模式系数。特别的，对于TE_m0模，截止波数可以简化为

$k_c=\frac{m\mathrm{\π}}{a}---\left(2\right)$

截止频率与截止波数的关系

$k_c=\frac{2{\mathrm{\πf}}_c}{c}---\left(3\right)$

式中，f_c为波导截止频率，c为光速。

波导色散特性关系为

$k^2=k_c^2+k_z^2---\left(4\right)$

式中k，k_c和k_z分别为波导波数，横向截止波数和纵向波数。

设传输TE₁₀模式的主波导尺寸为a×b，令f_c等于工作频带内的最低频率点，由式(2)和式(4)可确定尺寸a，一般地，可取b＝a/2。传输TE_n0模式的副波导尺寸为na×b时，电磁波从主波导到副波导中时色散特性保持一致，因而可以在较宽频带内发生强耦合。

本发明采用等间距不等强度耦合，缝间的间距按中心频率可取为1/4波导波长，此时电磁波从前一个缝传到后一个缝时的反向分量回到前一个缝时产生了π的相位差，因而在前一个缝处发生反向相消，理论上到达隔离端口的信号为零。以偶数条缝隙为例，设缝隙的总数为2N，各耦合缝相对中心线对称分布，每一对对称的缝不仅分布位置是对称的，而且形状大小也是对称的，设耦合缝的缝宽依次为t₁,t₂,…,t_N-1,t_N,t_N,t_N-1…,t₂,t₁，为了降低输入端反射并尽可能提高耦合带宽，缝宽从中心线开始由最大渐变到最小，为简化设计，缝宽按等比数列分布，即：

$t_i=C_0^{i-1}{t}_0,(1\<C_0\<2,i=1,2,...,N)---\left(5\right)$

上式中C₀为控制缝宽分布的公比，t₀≥t_min，其中t_min为最小加工尺寸。利用CST等软件的自动优化功能可最终确定缝数2N，最小缝宽t₀，公比C₀以及缝间距d和缝高h。

实例1：

以下就以W频段矩形波导TE₄₀模式激励器为例，对本发明进一步详细说明。

附图1为新型矩形波导TE₄₀模式激励器三维结构图，第一标准波导1通过第一台阶渐变段2和H面Y型功分器3的输入端相连，双路主波导4与H面Y型功分器3的输出端相接，双路主波导4的末端为90°弯头7，第二标准波导9通过第二台阶渐变段8与90°弯头7的末端连接，上述结构1，2，3，4，7，8和9均位于上层，副波导6位于下层，上下层之间通过两组耦合缝隙5相连，耦合缝隙5每组12缝，缝宽按等比数列分布，从而实现主波导和副波导之间的电磁波耦合。

该模式激励器的输入端为第一标准波导1的输入端，耦合端口为副波导6的输出端，两个直通端口为第二标准波导9的输出端。输入信号先经过H面Y型3dB功分器，H面Y型功分器将主波导输入信号自动分为双路等幅同相的信号同时向副波导进行耦合，设主波导的尺寸为a×b，则副波导的尺寸为4a×b，主波导宽边尺寸a由式(2)和式(3)确定，为了简化设计，窄边尺寸b可取为a/2。每路主波导采用了12个等间距不同缝宽的缝进行耦合，各耦合缝相对于中心线对称分布，缝宽从中心线开始由最大渐变到最小。各结构参数如表1所示。

表1 W频段TE₄₀模模式激励器结构参数列表

附图4为新型矩形波导TE₄₀模式激励器传输，输入端反射系数以及两路直通端口的传输特性S参数曲线。由图可知，92.5GHz处最佳传输-0.11dB，对应的模式转换效率为97.5％，在91.7～104GHz频带内，传输优于-0.2dB，对应的模式转换效率优于95.5％，此模式激励器的1dB带宽大于18GHz，相对带宽为18.9％(中心频率为95GHz)。

实例2：

以下就以W频段矩形波导TE₆₀模式激励器为例，对本发明进一步详细说明。

附图5为新型矩形波导TE₆₀模式激励器三维结构图，设主波导的尺寸为a×b，则副波导的尺寸为6a×b，采用14个等间距不同缝宽的缝进行耦合，各耦合缝相对于中心线对称分布，缝宽从中心线开始由最大渐变到最小。其余各部分结构与附图1中对应结构相同。由前面的分析知，两组耦合缝分布于副波导电场方向相同的位置，因此当副波导中激励TE₆₀模式时，两组耦合缝与副波导的相对位置有两种情况，即两组耦合缝靠近副波导中心分布和其中一组耦合缝靠近副波导边缘分布。当两组耦合缝靠近副波导中心分布时，结构对称性更好，因此可以得到更宽的频带。各结构参数如表2所示。

表2 W频段TE₆₀模模式激励器结构参数列表

附图6为新型矩形波导TE₆₀模式激励器传输，输入端反射系数以及两路直通端口的传输特性S参数曲线。由图可知，在93～105GHz频带内，传输优于-0.3dB，对应的模式转换效率优于93.3％，此模式激励器的1dB带宽为17.3GHz(90.2～107.5)，相对带宽为18.2％(中心频率为95GHz)。

以上实例仅为方便说明本新型发明，本新型发明提出的矩形波导TE_n0模式激励器，可在宽频带范围内激励起n≥1的任意高次模式TE_n0，但随着n的增大，带宽会相应地减小，此时可通过适当增加缝数2N来提高耦合强度和带宽。本发明激励的高次模式适用于共焦波导回旋器件高频结构工作模式和主要寄生模式的色散特性和损耗特性(回旋行波管)以及谐振腔Q值和谐振频率(回旋振荡管)进行冷测试验。