宽带共焦波导HE0n模式激励装置的制作方法

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共焦波导回旋器件的共焦波导模式激励装置。

背景技术：

回旋管是一种重要的毫米波-太赫兹辐射源器件，在受控核聚变、等离子体加热、等离子体诊断、雷达系统、通信及电子对抗、工业加工等方面具有重要的应用。共焦波导回旋器件采用新型的共焦波导互作用结构，与传统圆柱波导回旋管相比具有良好的模式选择特性，有效解决了传统回旋器件太赫兹频段由于尺寸共度效应引起的横向尺寸过小、平均功率容量低、电子注截获严重和加工困难等问题，因而在太赫兹频段具有重要的应用前景。在研制共焦波导回旋放大器件的过程中，一方面需要对工作模式和主要寄生振荡模式的损耗特性和色散特性进行准确测量，另一方面需要设计高效率、宽带、带内平坦且能激励工作模式的输入耦合器，因而研制激励共焦波导he0n模式的模式激励装置尤为重要。在共焦波导回旋振荡器件研制过程中，为了准确测量回旋振荡器件q值和谐振频率等特性，设计能有效激励共焦波导模式的变换器也必不可少。因此，研制激励共焦波导he0n(n＝1,2,3…)模式的模式激励装置具有重要作用。

目前，国内外文献报告共焦波导模式激励装置主要包括：(1)通过一个与共焦波导镜面垂直的标准波导进行耦合；(2)从一个3db功分器的两路输出波导同时从共焦波导的两个镜面进行耦合。其中方案(1)结构最简单，但带宽和耦合效率低，文献报道的最低插入损耗略小于3db，中心频率为140ghz的3db带宽约为2ghz；方案(2)利用功分器的两路输出波导进行双馈耦合，结构对称，能抑制部分非对称模式，王建勋等人提出了一种新型共焦波导宽带输入耦合装置(专利号：cn201610791802.8)，该耦合装置采用双馈耦合结构，通过其中双路耦合波导与共焦波导镜面成θ角，使得输入波导和共焦波导中传播的微波的传播速度和群速度匹配，有效解决了传统的共焦波导输入结构带宽窄，耦合效率低，该结构在w波段得到了14.08ghz的3db传输带宽。但是，该结构并未提及3db功分器的设计，由于该装置采用与共焦波导倾斜的输入波导，使得3db功分器的设计难度很大，难以应用于实际。

技术实现要素：

本发明提出了一种宽带共焦波导he0n模式激励装置，该模式激励装置采用与共焦波导镜面垂直的双馈结构，通过截止渐变段两对反射镜面的作用，在宽带范围内可实现共焦波导he0n模式的高效率转化，且带内平坦；在毫米波和太赫兹频段通过传统的加工方式(线切割和数控铣等)即可实现，加工装配容易、加工费用低，结构参数灵敏度低，可直接应用于毫米波和太赫兹各频段共焦波导回旋放大器件的输入耦合装置以及回旋振荡器件和回旋放大器件高频系统特性的冷测实验。

本发明采取以下的技术方案实现：

一种宽带共焦波导he0n模式激励装置，该装置包括：依次连接的输出开放共焦波导段、封闭共焦波导模式变换段、截止渐变段以及截止段均匀开放波导，其特征在于：

所述封闭共焦波导模式变换段和截止渐变段连接处设置有一y型3db功分器；所述y型3db功分器的输入波导为标准矩形波导，两路输出波导向内弯曲90度与输入波导相互垂直，其目的是在输出波导口得到两路等幅反向的微波信号；输出波导末端还分别连接一台阶渐变段，台阶渐变段输出端口为矩形耦合孔，其目的是将输出波导渐变到矩形耦合孔口径。

所述矩形耦合孔上、下对称分布于封闭共焦波导模式变换段与截止渐变段连接处，其目的是使向正方向耦合的输入信号最大化。

所述截止渐变段由两组口径渐变收缩的反射镜面构成，封闭共焦波导模式变换段与截止段均匀开放波导通过截止渐变段过渡连接，反射镜面有效截止了反向传输的微波，使得微波向正方向传播，提高工作模式耦合效率。

所述封闭共焦波导模式变换段两侧壁对称设置有抑制寄生模式的寄生模式抑制波导脊，从而提高工作模式转换效率。

所述封闭共焦波导模式变换段另一端连接输出开放共焦波导段，其目的是为了在模式变换过程中减小各模式衍射损耗，从而提高工作模式转换效率。

所述截止段均匀开放波导一端连接截止渐变段，当用做输入耦合器时，另一端开放并连接电子光学系统；当作为冷测时的模式激励装置时另一端可开放或者短路。

本发明具有以下优点：

1)y型3db功分器的两路输出波导与共焦波导镜面相互垂直，与倾斜的输入波导结构相比(背景技术专利：cn201610791802.8)，具有更高的实际应用价值，且加工、装配方便，加工成本低。

2)采用封闭共焦波导模式变换段，减小各模式的衍射损耗，最后再通过输出开放共焦波导输出，从而提高工作模式的转化效率。

3)采用y型3db功分器的两路对称输出波导进行耦合，抑制部分非对称模式，提高工作模式转化效率的模式纯度。

4)采用非标准波导口径的矩形耦合孔，提高耦合效率。

5)根据工作模式和寄生模式场分布特点，通过寄生模式抑制波导脊在保证对工作模式扰动尽可能小的情况下最大程度破坏寄生模式，从而提高工作模式转化效率和模式纯度。

6)截止渐变段在两个方向上利用两组反射镜面进行渐变，有效截断反向耦合的微波，提高工作模式效率和电子光学系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置三维结构图；

图2是本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置x-z平面和y-z平面剖视结构图；

图3是本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置y-z平面二维图；

图4是本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置x-y平面剖视结构图；

图5是本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置x-y平面二维图；

图6是本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置s参数(反射和传输)曲线。

附件标号说明：y型3db功分器1，台阶渐变段2，矩形耦合孔3，矩形寄生模式抑制波导脊4，封闭共焦波导模式变换段5，输出开放共焦波导段6，截止渐变段7和截止段均匀开放波导8。a段为输出开放共焦波导段，b段为封闭共焦波导模式变换段，c段为截止渐变段，d段为截止段均匀开放波导。

具体实施方式

下面结合一个w波段宽带共焦波导he04模式激励装置的设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述。

共焦波导结构中电磁波的色散特性关系为，

k²＝kz²+kt²(1)

上式中k,kz,kt分别为共焦波导中传播的电磁波波数，纵向波数和截止波数，根据共焦波导理论，对于在共焦波导中传播的hemn模(m,n分别为x方向和y方向的模式标号)电磁波，其截止波数kt满足：

kt＝ktr+jkti(2)

式中kt为截止波数，实部ktr和虚部kti分别表征共焦波导的传输特性和衍射损耗特性。lt表示共焦波导结构两个反射镜面间的最大距离，其中rc为镜面曲率半径。

利用关系式

上式中，f和fc分别为工作频率和截止频率，c为光速。由式(1)～(3)可得，当共焦波导截止时，镜面曲率半径rc由以下式(5)决定，

设计要点

1、当工作模式hemn和工作频率fc确定时，由式(5)可得到共焦波导两个圆柱镜面间的距离lt和镜面曲率半径rc；

2、截止渐变段反射镜面曲率半径和镜面宽度、截止渐变段长度以及矩形耦合孔尺寸可以通过hfss或cst等三维电磁仿真软件优化得到；

3、根据工作模式和主要寄生模式场分布特点，通过模式抑制波导脊在保证对工作模式扰动尽可能小的情况下最大程度破坏寄生模式，从而提高工作模式转化效率的模式纯度；

4、y型3db功分器输入波导为wr10标准矩形波导，其结构可通过hfss或cst等三维电磁仿真软件自动优化得到；

5、在确定矩形耦合孔的尺寸和y型3db功分器的尺寸后，台阶渐变段尺寸可通过hfss或cst等三维电磁仿真软件自动优化得到。

图1为本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置三维结构图，图2和图3分别为本发明提供的宽带共焦波导he04模式激励装置x-z平面和y-z平面剖视结构图，以及x-y平面剖视结构图。优化后的w波段宽带共焦波导he04模式激励装置的主要结构参数如表1所示：

表1w波段宽带共焦波导he04模式激励装置的主要结构参数

附图4是本发明实施例提供的宽带共焦波导he04模式激励装置s参数(反射和传输)曲线，由图可知该结构在92～115ghz频带范围内反射系数优于-13db；-2db传输(转化效率为63.1％)和-3db传输(转化效率为50％)频带范围分别为95～110.6ghz和91.85～112ghz，-2db传输和-3db传输相对带宽分别为16.4％和21％；最佳传输系数为-0.91db(转化效率为81.1％)。需要注意的是，实例中20mm长的开放共焦波导输出段会产生额外的衍射损耗(约0.3db)，因而实际的转换效率略高于附图4中的结果。

以上实例仅为说明本新型发明，本发明所述结构可以激励任意共焦波导he0n模式，所述结构传输频带宽、模式转化效率高且传输曲线平坦、光滑，且该结构紧凑、易于加工和装配，可以应用于毫米波和太赫兹各频段共焦波导回旋放大器件输入耦合系统以及回旋振荡器件和回旋放大器件高频系统特性的冷测实验。通过改变输入耦合器中台阶渐变段级数、尺寸；改变抑制波导脊的数量，分布和尺寸大小均属于本发明的变形。