一种矩形波导TE10模到圆波导TE21模的模式激励器及设计方法与流程

本发明属于高功率微波、毫米波技术领域，具体来说是一种应用在高功率毫米波回旋行波管高频系统测量中的圆波导te21模式激励器。

背景技术：

矩形波导te10到圆波导te21模式激励器是一种广泛应用于微波测量(如回旋行波管高频系统中te21模的传播特性测量等)、卫星通讯、星载雷达、微波功率合成等领域的微波无源器件。传统的矩形波导te10到圆波导te21模式激励器主要采用同轴波导耦合和多孔波导耦合的结构。

同轴波导耦合的结构是先将矩形波导的te10模式转换成同轴谐振腔的te411模式，(其中矩形波导与同轴谐振腔的相对位置是矩形波导的轴向垂直于同轴谐振腔的轴向)，然后再通过四条矩形耦合缝，将同轴谐振腔的te411模式转换圆波导中的te21模式(其中同轴谐振腔与圆波导的相对位置是同轴谐振腔的轴向平行于圆波导的轴向，圆波导在同轴谐振腔内部，四条耦合缝开在圆波导与同轴谐振腔的公共面上)。

多孔波导耦合的结构是将矩形波导与圆波导的轴向平行放置，矩形波导的一个窄边与圆波导的外侧共面，在矩形波导与圆波导的外侧共面的这个窄边中心线上开一排特定分布的小孔，通过控制这些小孔的孔半径、厚度以及孔与孔的间距，可以将矩形波导中的te10模的大部分能量耦合到圆波导中形成te21模。

但是以上提到的传统结构的te10模到圆波导te21模的模式激励器存在结构复杂，加工装配难度高的缺点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种矩形波导te10模到圆波导te21模的模式激励器及设计方法，该模式激励器结构简单，工作频带和模式转换效率能满足对回旋行波管高频系统中te21模的传播特性测量的需求。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种矩形波导te10模到圆波导te21模的模式激励器，包括矩形波导和圆波导；该模式激励器的工作波长为λ，所述矩形波导包括输入端口和输出端口；所述圆波导包括短路面和输出端口，所述矩形波导的输出端口端倾斜嵌入所述圆波导内，且距离所述短路面1/4工作波长，以使电磁波从所述矩形波导的输入端口传输到所述圆波导的输出端口，实现对所述圆波导的模激励；所述矩形波导的窄边与所述圆波导的轴线相垂直，所述矩形波导的中心线与所述圆波导的轴线之间的夹角为θ；所述矩形波导的长度为所述工作波长的1-2倍，所述圆波导的长度为所述工作波长的5-7倍。

本发明的有益效果是：

1.工作频带宽，模式转换效率高，模式转换效率大于90％的相对带宽大于15％；

2.结构简单，易加工、装配，由一个标准的矩形波导和规则的圆波导直接构成，采用简单的车工和铣工工艺就可完成加工制作。

本发明还提供了一种斜入射式矩形波导te10模到圆波导te21模的模式激励器的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据工作频段确定矩形波导的宽边和窄边；根据工作频段内低端频点处工作波长确定圆波导低端频点工作模式的截止半径：

(2)根据低端频点工作模式的截止半径，确定圆波导的半径及长度：

(3)根据工作波长、矩形波导的宽边以及圆波导的半径，确定矩形波导倾斜嵌入圆波导的位置及矩形波导的中心线与圆波导的轴线之间的夹角。

本发明方法的有益效果是：结构及设计方法简单，矩形波导及圆波导的尺寸确定简单，无需复杂的计算。

进一步，所述矩形波导的中心线与圆波导的轴线之间的夹角由下式计算：

其中，r为圆波导的半径，μ′21为贝塞尔函数的导数的根，a为矩形波导的宽边，k为电磁波波数k＝2π/λ，λ为电磁波在中心频率点的工作波长。

本发明方法的有益效果是：计算简单，结果精确，不需优化即可得到良好的效果。

附图说明

图1为模式激励器的三维结构图；

图2为模式激励器的俯视图；

图3为模式激励器的正视图；

图4为模式激励器的左视图；

图5为模式激励器的右视图；

图6为模式激励器的传输参数s21与工作频率ka波段的关系图；

图7为模式激励器的反射参数s11与工作频率ka波段的关系图；

图中：1-矩形波导的输入端口；2-矩形波导；3-圆波导的短路面；4-圆波导；5-圆波导的输出端口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图5，本发明提供了一种矩形波导te10模到圆波导te21模的模式激励器，包括矩形波导2和圆波导4；该模式激励器的工作波长为λ，所述矩形波导2包括输入端口1和输出端口(因图上看不见，所以未画出)；所述圆波导4包括短路面3和输出端口5，所述矩形波导2的输出端口端倾斜嵌入所述圆波导4内，且距离所述短路面3的1/4工作波长处，以使电磁波从所述矩形波导2的输入端口1传输到所述圆波导4的输出端口5，实现对所述圆波导4的模激励；所述矩形波导2的窄边与所述圆波导4的轴线相垂直，所述矩形波导2的中心线与所述圆波导4的轴线之间的夹角为θ；所述矩形波导2的长度为所述工作波长的1-2倍，所述圆波导4的长度为所述工作波长的5-7倍。

为了实现矩形波导2的te10模到圆波导4的te21模的模式激励器的高效、宽带工作，该激励器的设计需要确定θ角的最佳角度。

由于矩形波导2的宽边a和窄边b的尺寸已由已知的工作波段确定，此外圆波导4的半径r也可由低端频点工作模式的截止半径确定，矩形波导2的te10模的相位常数β10以及圆波导4中的te21模式的相位常数β21就可以分别由矩形波导2的尺寸和圆波导4的尺寸求出。

当矩形波导2的宽边a，矩形波导2的te10模的相位常数β10和圆波导4中的te21模式的相位常数β21，以及矩形波导2的中心线(电磁波传输的方向)与圆波导4的轴线之间的夹角θ满足如下关系：

β21(a/sin(θ))＝β10(a/tan(θ))(1)

就可以求得θ角的最佳角度。

由电磁波传播理论，在忽略传播损耗时，电磁波在传输时满足如下关系：

k为电磁波波数，kc为截止波数，β为相位常数。

电磁波波数k由下式确定

k＝2π/λ(3)

其中，λ为电磁波在中心频率点的工作波长。

对于te10模的截止波数和te21模的截止波数，可以由以下公式获得：

其中，a为矩形波导2的宽边，r为圆波导4的半径,μ′21为贝塞尔函数的导数的根。

圆波导4的半径r由低端频点工作模式的截止半径rc确定：

其中，c为真空中的光速，f1为工作的低端频率点。

由工作频段确定工作的中心频率点和中心频率点电磁波的工作波长，电磁波的工作中心频率点由如下式子确定：

式中，f1为工作波段的下边频点，f2为工作波段的上边频点。

电磁波在中心频率点的工作波长由如下式子确定：

由上述一系列公式最终可以得到te01-te21模式激励器输出端圆波导4半径r和输入端矩形波导2与圆波导4轴线的夹角θ的对应关系：

其中，r为圆波导4的半径，μ′21为贝塞尔函数的导数的根，，a为矩形波导2的宽边，k为电磁波波数k＝2π/λ，λ为电磁波在中心频率点的工作波长。

另外，本发提供了一种矩形波导te10模到圆波导te21模的模式激励器的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据工作频段确定矩形波导2的宽边和窄边；根据工作频段内低端频点处工作波长确定圆波导4低端频点工作模式的截止半径：

a、工作频率在ka波段(从26.5ghz到40.0ghz)，中心频率为33.25ghz，电磁波在中心频率点的工作波长约为9毫米；我们选取的矩形波段的横截面尺寸为：bj320(国标)/wr28(国际)波导，其宽边为7.112毫米、窄边为3.556毫米；矩形波导2的长度为中心频率点电磁波自由空间波长的1-2倍，约16毫米。

b：低端频点为26.5ghz，其te21模的截止半径rc为5.5毫米。

(2)根据低端频点工作模式的截止半径，确定圆波导的半径及长度：

a、圆波导4的半径要大于低端频点工作模式的截止半径，由于低端频点26.5ghz处te21模的截止半径为5.5毫米，本实例圆波导4的半径选择为5.7毫米。

b、圆波导4的长度为中心频率点电磁波自由空间波长的5-7倍，约50毫米。

(3)根据工作波长、矩形波导2的宽边以及圆波导的半径，确定矩形波导2倾斜嵌入圆波导的位置及矩形波导2的中心线与圆波导4的轴线之间的夹角。

a、矩形波导2的输入端口1在距离圆波导4的短路面3的1/4波长处直接斜插入圆波导4，约为2毫米。

b、所述矩形波导2的中心线与圆波导4的轴线之间的夹角由公式(9)计算，可算得矩形波导2的中心线与圆波导4的轴线之间的夹角θ约为53度。

经以上步骤就可以完成ka波段的矩形波导2的te10模到te21模宽带模式激励器设计，然后在hfss高频仿真软件上建立3维模型进行仿真验证。

如图6所示，在27ghz-30.5ghz的频率范围内，所述模式激励器的te10到te21的传输参数在-0.5db以上。

如图7所示，在27ghz-30.5ghz的频率范围内，所述模式激励器的te10模的反射参数在-10db以下。

本发明可以适用于其他频段的矩形波导te10模到te21模模式激励器。

本发明优点：

1、工作频带宽，模式转换效率高，模式转换效率大于90％的相对带宽大于15％。

2、结构简单，易加工、装配，由一个的矩形波导和规则的圆波导直接构成，采用简单的车工和铣工工艺就可完成加工制作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。