一种三频段同轴内嵌圆波导蛇弯模式转换器的制作方法

本发明属微波技术领域，涉及一种三频段同轴内嵌圆波导微波蛇弯模式转换器。

背景技术：

目前，大多数高功率微波源的输出模式通常采用旋转对称模式(如tem、tm0n，te0n模式)，但此类模式轴向辐射呈不理想的空心圆锥状，且旁瓣电平高、能量分散、增益低，不利于长距离传输，通常利用模式转换器将其高效转换为具有轴向最大辐射的te11模式。

随着高功率微波(hpm)技术在军事和民用方面的迅猛发展，功率合成技术逐渐成为拓展hpm军事应用系统空间攻防、超远距离作战能力的重要技术手段，同时也是hpm系统研制中的重要技术环节。但是，单频段hpm器件受限于波导尺寸和模式竞争以及物理性能和加工工艺的限制，其辐射功率存在上限，并且hpm在应用中需要越来越高的辐射总能量和总功率，因此迫切需要开展hpm多路多频段共口径输出技术的研究。而传统hpm多频功率合成链路中通常采用多个发射机与天线装置，并通过多个单频模式转换链路进行传输，导致加工成本高，整个系统结构复杂，大大限制了实际可行性。为了解决该问题，2012年张强等人在《chinesephysicsletters》期刊的adual-bandcoaxialwaveguidemodeconverterforhigh-powermicrowaveapplications提出了一种双频段同轴模式转换器，该模式转换器在同轴外波导可实现l波段tem-te11的转换，利用同轴内波导实现c波段tm01-te11的转换。但是内外波导几何中心不在同一轴线上，且输入输出端口不同轴，不利于在系统中的集成。同时，该器件仅能工作在频率较低的波段，无法满足更高频段应用的需求。对于三频段以上的类似问题，未见讨论。

技术实现要素：

鉴于以上技术背景存在的问题，本发明提出了一种可同时工作在x、ku、ka三个频段的模式转换器，并且输入输出端口在同一轴线上，对多路多频段共口径输出技术的研究具有重要的参考价值。

本发明采取的技术方案是：一种三频段同轴内嵌圆波导蛇弯模式转换器，其特征在于：该模式转换器为内导体为圆波导形式的蛇弯同轴波导结构，且内外波导弯曲轴线相同。

进一步地，所述三频段模式转换器内导体内、外侧，以及外导体内侧横截面可为圆形、椭圆形、方形、菱形等形状。

本发明基于耦合波理论，采取多频点迭代方法确定内外波导轴向弯曲曲线，最终实现可工作在x、ku、ka三个频段的模式转换器。

本发明与现有技术相比优点是：

1.适用于多波段高功率微波源输出，应用范围广，该模式转换器可工作在三个不同的频段，满足了对不同频段微波的应用需求。

2.结构简单，紧凑性好，输入端和输出端在同一条轴线上，便于在工程中应用，通过在同轴波导内嵌入弯曲程度相同的圆波导即可实现三频段的模式转换，加工成本低。

3.转换效率高，各个频段中心频率点处最大转换效率均在97％以上。

附图说明

图1为本发明实施例中三频段模式转换器侧视图与剖视图；

图2为本发明实施例中三频段模式转换器输入端口示意图；

图3为本发明实施例中外同轴波导输入输出场分布示意图；

图4为本发明实施例中内圆波导输入输出场分布示意图；

图5为本发明实施例中三频段模式转换器工作在8.5ghz时转换效率；

图6为本发明实施例中三频段模式转换器工作在15ghz时转换效率；

图7为本发明实施例中三频段模式转换器工作在35ghz时转换效率。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。

本发明实施例的三频段同轴内嵌圆波导蛇弯模式转换器，可工作在x、ku、ka波段，图1(a)为其整体结构示意图，该模式转换器为内导体为圆波导形式的蛇弯同轴波导结构，图1(b)为其剖视图，其内外波导弯曲轴线相同，外导体内侧沿轴线的横截面也相同。同轴波导外导体1可实现在x波段和ku波段的tem-te11的转换，圆波导内导体2可实现在ka波段的tm01-te11的转换。

图2为本发明实施例的输入端口示意图，其中同轴波导外导体内半径为27mm，圆波导形式内导体内半径为4mm，壁厚为3mm。波导弯曲引起模式之间耦合系数的变化，从而引起模式之间的相互耦合，常见耦合波方程组如下所示：

其中，z为波型传播方向，an为波导内传输的第n个模式幅值，βn为波导内传输的第n个模式的相位常数，cmn为波导内传输的第m个和第n个模式之间耦合系数。基于耦合波方程组分析各个模式之间的耦合能力，采取多频点迭代方法同时分析三个频段的转换效率，选取能实现三个频段中心频点处转换效率在97％以上的弯曲轴线，本实施例中总长度为2.44m。

图4、图5分别为同轴波导与内嵌圆波导的输入输出模式场分布图，其中实线为电场线，虚线为磁场线，输入模式为对称tm01(tem)，输出模式场分布呈中间强两边弱且对称性良好，是典型的te11模式。

为了进一步说明本发明的技术优势，图5展示了在x频段时的tem-te11转换效率，其最大转换效率为98.49％，其中在8.27ghz-8.73ghz的频率范围内，tem-te11模的转换效率大于90％；图6展示了在ku频段时的tem-te11转换效率，其最大转换效率为97.73％，其中在14.68ghz-15.36ghz的频率范围内，tem-te11模的转换效率大于90％；图7展示了在ka频段时的tm01-te11转换效率，其最大转换效率为99.2％，其中在34.89ghz-35.14ghz的频率范围内，tm01-te11模的转换效率大于90％。这表明，利用本发明设计方法可以成功实现高转换效率的三频段模式转换器。

上述实例只为说明本发明的技术构思和特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明内容所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种三频段同轴内嵌圆波导蛇弯模式转换器，属于微波技术领域。该模式转换器为内导体为圆波导形式的蛇弯同轴波导结构，内外波导弯曲轴线相同，且外导体内侧沿轴线的横截面也相同。本发明基于耦合波理论，采取多频点迭代方法确定内外波导轴向弯曲曲线，最终实现可工作在X、Ku、Ka三个频段的模式转换器；具有转换效率高的优点，各个频段中心频率点处最大转换效率均在97％以上。适用于多波段高功率微波源输出，满足了对不同频段微波的应用需求。

技术研发人员：李浩;蔡琛;王克强
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2018.07.30
技术公布日：2019.03.01