一种矩形波导模式转换器与功率分配合成器

1.本发明属于真空电子领域，具体提供一种矩形波导模式转换器，用以实现矩形波导中高阶模式与低阶模式相互转换；同时，基于矩形波导模式转换器级联构成功率分配合成器，应用于无线通信系统(如雷达、卫星通信)中。


背景技术：

2.随着通信技术的不断的发展，对于各类通信器件的需求也在日益增加；波导作为传输微波信号的关键器件，在地面雷达、卫星天线等领域有着广泛应用；而在各种不同的应用条件下，电磁波也有着各种不同的传播模式；为了使得不同模式的波型之间能进行良好的转换，这就需要波导模式转换器；
3.波导模式变换器是一种广泛应用在微波、毫米波通信的微波无源器件，用于实现类型相同但电磁波传播模式不同的两端传输线之间的连接；举例而言，在圆波导中，te
11
模式具有更高的输出功率，但由于圆波导he
11
模式具有更好的方向性，更容易在空气中传播，所以通常在进行高功率微波毫米波的传输时，需要将圆波导内的电磁波的模式由te
11
模式转化成he
11
模式；当需要对器件中的工作模式进行传播特性测量时，由于矢量网络分析仪中输出的电磁波模式为矩形波导的主模te
10
模，便也需要将te
10
模式转化成不同器件的不同工作模式；
4.具体到矩形波导模式转换器，在很多情况下，由于太赫兹信号源输出波型为高阶模式，而信号在矩形波导所在系统中又往往需要以主模(即te
10
)模式传输；然而，现有的矩形波导模式转换器往往结构较为复杂，需要进行非线性弯曲变换，并不适用于对精度要求较高的太赫兹器件；另一方面，传统的矩形波导模式变换器往往只能解决te
n0
模式(n为偶数)与te
10
模式的相互转换需求，并且带宽通常较窄，不能完全满足所有的应用场景。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种矩形波导模式转换器、以及基于该矩形波导模式转换器级联构成功率分配合成器，解决了传统结构不能解决的奇数模与主模之间转换问题、并且大幅提升了模式之间的能量传递效率，同时，将结构复杂度大幅降低、加工简单，且具有带宽大、损耗小等性能上的显著优势；
6.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种矩形波导模式转换器，其特征在于，所述矩形波导模式转换器用于实现矩形波导te
n0
与te
10
模式的相互转换，其中，n为大于2的正整数；
8.所述矩形波导模式转换器沿电磁波传播方向分为双脊模式变换波导1、多脊分向波导2与多脊压缩波导3三个部分；其中，
9.所述双脊模式变换波导1为带方脊的矩形波导，且从双脊模式变换波导的始端到末端、矩形波导的窄边尺寸不变、宽边尺寸线性递增；双脊模式变换波导的始端作为矩形te
10
模式端口，始端截面呈矩形；双脊模式变换波导的其他截面(端面截图)均为宽边上带方
脊的类矩形，其两个宽边上分别具有1个方脊、且位于宽边的中点处；
10.所述多脊分向波导2为带方脊的矩形波导，且从多脊分向波导的始端到末端、矩形波导的窄边尺寸不变、宽边尺寸线性递增；多脊分向波导的任一截面为宽边上带方脊的类矩形，当n为偶数时，其中一条宽边上具有n/2-1个方脊、且方脊的中心总处于各个横截面宽边的第偶数(2、4、6...)个n等分点处，另一宽边上具有n/2个方脊、且方脊的中心总处于各个横截面宽边的第奇数(1、3、5
…
)个n等分点处；当n为奇数时，其中一条宽边上具有(n-1)/2个方脊、且方脊的中心总处于各个横截面宽边的第偶数(2、4、6...)个n等分点处，另一宽边上具有(n-1)/2个方脊、且方脊的中心总处于各个横截面宽边的第奇数(1、3、5
…
)个n等分点处；当两个及以上的方脊交叠在一起时，仅保留交叠部分两侧的短边及上侧的宽边，并且多个方脊交叠处均匀过渡为一个方脊；
11.所述多脊压缩波导3为带方脊的矩形波导，且从多脊压缩波导的始端到末端、矩形波导的窄边尺寸与宽边尺寸均不变；所述多脊压缩波导的任一截面中方脊的分布不变、每一个方脊的脊高均沿多脊压缩波导的始端到末端方向(电磁波传播方向)线性递减至零，使多脊压缩波导的末端截面呈矩形、作为te
n0
模式端口；
12.所述双脊模式变换波导、多脊分向波导与多脊压缩波导中单个方脊的脊宽不变、且等于双脊模式变换波导的初始窄边尺寸；
13.需要特别说明的是：本发明所涉及的一种矩形波导te
n0
与te
10
模式转换器为一整体结构，仅为方便描述将器件分割成多个部分(并在图例上添加边线用以区分)进行阐述，并非由真实加工过程的多个零件组成；另外，通过改变te
10
模式端口及te
n0
模式端口的结构尺寸，可使得本发明与任意相关器件的输入、输出端口相互连接，从而避免了传统模式转换器需要根据不同的外部器件尺寸对器件结构进行大幅调整的弊端；通过改变多脊分向波导的电磁波传播方向长度，可以使得转换效率大幅提升，从而可以适应更高精度的应用需要；另一方面，当需要器件的整体结构尺寸较小时，也可以适当降低各部分沿电磁波传播方向长度；
14.在此基础上，本发明提供了一种功率分配合成器，该器件首先由本发明所述的矩形波导te
n0
与te
10
模式转换器按两级连接而成；其中，第一级包括一个te
m0
与te
10
模式转换器，第二级包括m个te
k0
与te
10
模式转换器；第二级的m个模式转换器的双脊模式变换波导1与第一级模式转换器的多脊压缩波导4的短边长度一致，外宽边比例等于或略大于m；在此基础上，在第一级的te
10
端口端口上接入一个矩形波导，在第二级的m个te
k0
端口上，各接入k个矩形波导，构成了本发明的功率分配合成器；该器件可以实现任意的m
×
k功率分配合成阵列；当从第一级输入一个te
10
模式的电磁波时，可在第二级连接的m
×
k个波导中得到能量均分的te
10
模式的电磁波，实现了功率分配；反过来，当从第二级连接的m
×
k个波导中输入独立的te
10
模式电磁波时，可在第一级的te
10
模式端口得到合成的一个te
10
模式电磁波，实现了功率合成；
15.具体来说：
16.当作为功率分配器时，该器件的第一级将左端输入的一个te
10
模式的电磁波均分成m个te
10
模式的电磁波，并直接输入到第二级的各个模式转换器中；第二级则进一步将其均分成m
×
k个te
10
模式的电磁波，并最终通过最右端的端口向外输出功率均等的m
×
k个电磁波，实现了1分m
×
k的功率分配；
17.当作为功率合成器时，首先从右端的m
×
k个端口中输入经移相、幅值调整等操作后的m
×
k个独立的te
10
模式的电磁波，则第二级可将这m
×
k个te
10
模式的电磁波合成m个te
10
模式的电磁波，并直接输入到第一级的te
m0
端口；第一级则进一步将这m个te
10
模式的电磁波合成，最终合为一个te
10
模式的电磁波向外输出，实现了m
×
k合1的功率合成。
18.综上所述，本发明的有益效果在于：
19.1)解决了传统结构不能解决的奇数模与主模之间转换问题，并且大幅提升了偶数模与主模之间转换的能量传递效率；本发明通过利用波导脊形向外延展的方式，改变了波导内的场分布及能量流向，且利用了脊的中心对称及轴对称的两种分布，以同一结构解决了奇数模及偶数模与主模之间的转换；解决了传统矩形波导模式转换器件在奇数模上的缺失以及结构过于复杂等弊端；
20.2)带宽等性能具有显著优势；本发明的矩形波导te
n0
与te
10
模式转换器通过在波导外壁增加脊形结构的方式改变了波导内的场分布；相较于传统的通过耦合或反射等方式进行模式变换的器件而言，本发明在带宽传输效率均有着显著的优势(如图5所示，本发明工作在太赫兹频带上具有300g以上的-3db工作带宽)；
21.3)结构复杂度大幅降低、加工简单；所提相比于传统的模式转换器，本发明的矩形波导te
n0
与te
10
模式转换器结构复杂度、加工难度及器件整体尺寸大幅下降，对于太赫兹频段而言，避免了由于器件尺寸及精度所带来的各种限制；
22.4)通过模块化的方式，用相同结构的简单拼接实现了任意m
×
k的二维的功率分配合成阵列；在保证了带宽大、损耗小的同时，无需任何复杂、精密的结构，极大降低了成本和加工难度。
附图说明
23.图1为实施例1中矩形波导te
30
与te
10
模式转换器的整体结构示意图。
24.图2为实施例1中矩形波导te
30
与te
10
模式转换器的断开及局部放大结构示意图。
25.图3为实施例2中矩形波导te
40
与te
10
模式转换器的整体结构示意图。
26.图4为实施例2中矩形波导te
40
与te
10
模式转换器的断开及局部放大结构示意图。
27.图5为实施例1中矩形波导te
30
与te
10
模式转换器进行模式转换时仿真得到的s参数曲线。
28.图6为实施例3中4
×
4阶功率分配合成器的整体结构示意图。
29.图7为实施例3中4
×
4阶功率分配合成器的断开结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，需要特别说明的是，本发明所提供模式转换器可以适用于任意的矩形波导te
n0
与te
10
模式转换，但为了更好地说明，具体实施方式以te
30
模式与te
10
模式转换器(实施例1)及te
40
模式与te
10
模式转换器(实施例2)为例；实施例中的结构本身为一整体贯通的波导结构，描述中分割出的各个组成部分仅用以方便描述，其间并不具有实际的隔断；同样地，附图中的结构之间的轮廓线也仅用以区分各个部分，不代表本发明实际的生产加工工艺及焊接位置；另外，实施例中为了方便说明及观察，将波导壁厚度设置为0.1mm，而实际的器件在保证波导内壁结构不变的前提下，波导壁
厚度可进行适应性调整；图中可能会有相应的省略、放大及缩小，下述x、y、z方向如图所示，且图中各实体部分均为金属导体；
31.实施例1
32.本实施例提供一种矩形波导te
30
与te
10
模式转换器，其结构如图1所示，具体所述矩形波导模式转换器沿z方向分为双脊模式变换波导1、多脊分向波导2与多脊压缩波导3三个部分，如图2(a)所示；
33.更为具体地讲，如图2(b)所示，沿y轴方向的边表示为w(对应其尺寸为w1、w2)、沿x轴方向的边表示为l(对应其尺寸为l1、l2)，沿z轴方向为电磁波传播方向，有：
34.所述双脊模式变换波导1为带方脊的矩形波导，所述矩形波导的窄边尺寸w1不变、宽边尺寸l1沿正方向(电磁波传播方向)线性递增；所述双脊模式变换波导的始端为矩形te
10
模式端口，为两边长分别为l1及w1+2w2的矩形；所述双脊模式变换波导，除始端外的任一截面均为宽边上带方脊的类矩形，其两个宽边分别具有1个方脊、且位于宽边的1/2(中点)处；所述方脊的脊高为w2、脊宽为l2、在图中可以看到，在z最小处，有l2＝l1，即双脊模式变换波导的始端面本质也为宽边上带方脊的类矩形，但由于l2＝l1，则形成一个矩形端口；
35.所述多脊分向波导2为带方脊的矩形波导，且从多脊分向波导的始端到末端、矩形波导的窄边尺寸w1不变、宽边尺寸l1沿正方向线性递增；所述多脊分向波导的任一截面为宽边上带方脊的类矩形，其中一条宽边尺寸的1/3处具有方脊、另一条宽边尺寸的2/3处具有方脊；
36.所述多脊压缩波导3为带方脊的矩形波导，且从多脊压缩波导的始端到末端、矩形波导的窄边尺寸w1与宽边尺寸l1均不变；所述多脊压缩波导的任一截面上方脊的位置分布不变、方脊的脊高w2沿多脊压缩波导的始端到末端方向(电磁波传播方向)线性递减至零，使多脊压缩波导的末端截面呈矩形，作为te
30
模式端口；
37.由上可见，当确定了双脊模式变换波导中的窄边尺寸w1、双脊模式变换波导1、多脊分向波导2多脊压缩波导3的始端和末端处对应的l1、方脊的脊高w2与脊宽l2,以及双脊模式变换波导1、多脊分向波导2及多脊压缩波导3在z方向上的长度，由于其中尺寸所涉及的变化均为沿z方向的线性递增、线性递减，那么依照上面的描述便可以唯一确定相应的波导结构；另外，由于波导的性质由其内壁结构决定，故下文中所描述的均为内壁的结构参数，例图中为便于说明，均采用0.1mm的波导壁宽，但在实际的器件中，保证波导内壁结构不变，波导壁厚度可进行适应性调整；
38.在本实施例中，采用300ghz对应的标准波导接口；令w1＝0.43mm，w2＝0.215mm，l2＝0.43mm，则：
39.所述双脊模式变换波导1在z方向上的长度为6.00mm，其始端为一个内壁宽边尺寸为w1+2w2＝0.86mm，短边尺寸为l2＝0.43mm的矩形波导，可直接与300ghz对应的标准波导对接；进一步，两个波导脊分别位于矩形波导两个l1边的中心，脊的内壁宽度l2＝0.43mm且保持不变；两边脊的内壁高度相同，为w2＝0.215mm且保持不变，渐变的矩形波导宽边l1在z最小处为0.43mm，z最大处为2.40mm，且l1沿正z方向均匀变化；由于结构为均匀变化，因而通过以上描述可以唯一确定本实施例对应的双脊模式变换波导1的具体结构；
40.所述多脊分向波导2在z方向上的长度为5.00mm，所述渐变矩形波导在z最小处的矩形内壁长l1＝2.40mm、宽w1＝0.43mm，在z最大处内壁的长l1＝3.83mm、宽w1＝0.43mm；所
述两个方脊在y方向上的脊高w2和x方向上的脊宽l2均保持不变，分别为w2＝0.215mm及l2＝0.43mm；由于两方脊中心始终处于所在宽边对应的三等分点上，且各个尺寸为均匀变化，因而通过上述描述可以唯一确定本实施例对应的多脊分向波导2的结构；
41.所述多脊压缩波导3在z方向上长度为4.00mm；所述矩形波导的波导尺寸保持不变，为宽边l1＝3.83mm、窄边w1＝0.43mm；所述两个渐变方脊在x方向上的脊宽l2保持不变，均为0.43mm；在y方向上的最大脊高w2为0.21mm，沿z正方向均匀减小至0；由于波导脊的高度均匀变化，因而通过以上描述可以唯一确定本实施例对应的多脊压缩波导3的结构；
42.对于上述矩形波导te
30
与te
10
模式转换器中任意两个相邻的部分，其邻接面均完全相同；事实上，本发明所涉及的一种矩形波导te
n0
与te
10
模式转换器，各部分均属于一个整体，仅为方便描述，对其加以区分；
43.对本实施例提供矩形波导te
30
与te
10
模式转换器进行仿真测试，其结果如图5所示，由图可见，该结构在250-600ghz的频带下均能保证衰减在-3db以上，兼具了超宽带宽及低衰减的优良特性。
44.实施例2
45.本实施例提供一种矩形波导te
40
与te
10
模式转换器，其结构如图3所示，具体所述矩形波导模式转换器沿z方向分为双脊模式变换波导1、多脊分向波导2与多脊压缩波导3三个部分，如图4(a)所示；其中，图3的虚线仅用来描述结构，并不代表虚线处对应有实际的波导内壁结构；
46.更为具体地讲，如图4(b)所示，沿y轴方向的边表示为w(对应其尺寸为w1、w2)、沿x轴方向的边表示为l(对应其尺寸为l1、l2)，沿z轴方向为电磁波传播方向，有：
47.所述双脊模式变换波导1为带方脊的矩形波导，所述矩形波导的窄边尺寸w1不变、宽边尺寸l1沿正方向(电磁波传播方向)线性递增；所述双脊模式变换波导的始端为矩形te
10
模式端口，呈窄边尺寸为l1、宽边尺寸为w1+2w2的矩形；所述双脊模式变换波导的任一截面均为宽边上带方脊的类矩形，其两个宽边分别具有1个方脊、且位于宽边的1/2(中点)处；所述方脊的脊高为w2、脊宽为l2、在图中可以看到，在z最小处，有l2＝l1，即双脊模式变换波导的始端面本质也为宽边上带方脊的类矩形，但由于l2＝l1，则形成一个矩形端口；
48.所述多脊分向波导2由于在本实施例中用于te
40
模式与te
10
模式之间的转换，因而其矩形波导的两宽边上分别有1个导向脊及2个导向脊结构；所述多脊分向波导2的任一截面为宽边上带方脊的类矩形，其中一条宽边尺寸的1/4、3/4处(第1、3个4等分点)具有方脊、另一条宽边尺寸的1/2(第2个4等分点)具有方脊；
49.具体来说，所述矩形波导的窄边尺寸w1不变、宽边尺寸l1沿z正方向线性递增；如图3所示，在同一宽边上的两个导向脊的中轴线分别向正x、负x方向以相同角度偏移，所述的两个方脊交叠处均匀过渡为一个方脊，形成一个v字型的结构；在另一宽边上仅有一条方脊，且中轴线始终与z轴平行；需要特别说明的是，图3中的两条虚线仅用来示意该处结构是由两个相同的、沿x正负两个方向均匀变化的方脊交叠而成，并不表示任何实体结构；
50.所述多脊压缩波导的任一截面上方脊的位置分布不变、方脊的脊高w2沿多脊压缩波导的始端到末端方向(电磁波传播方向)线性递减至零，使多脊压缩波导的末端截面呈矩形、作为te
40
模式端口；
51.由上可见，当确定了双脊模式变换波导中矩形波导的窄边尺寸w1、双脊模式变换
波导1、多脊分向波导2和多脊压缩波导3的始端和末端处对应的l1、方脊的脊高w2与脊宽l2,以及双脊模式变换波导1、多脊分向波导2及多脊压缩波导3在z方向上的长度，由于各尺寸的变化均为沿z方向线性递增、线性递减，那么依照上面的描述便可以唯一确定相应的波导结构；另外，由于波导的性质由其内壁结构决定，故下文中所描述的均为内壁的结构参数，例图中为便于说明，均采用0.1mm的波导壁宽，但在实际的器件中，保证波导内壁结构不变，波导壁厚度可进行适应性调整；
52.上述的一种矩形波导te
40
与te
10
模式转换器由三个部分构成，分别为双脊模式变换波导1、多脊分向波导2及多脊压缩波导3，其结构如图3所示，为方便说明结构，提供图4作为结构的补充图例；
53.在本实施例中，采用300ghz对应的标准波导接口；令w1＝0.43mm，w2＝0.215mm，l2＝0.43mm，则：
54.所述双脊模式变换波导1在z方向上的长度为6.00mm；其始端为一个内壁宽边尺寸为w1+2w2＝0.86mm，短边尺寸为l2＝0.43mm的矩形波导，可直接与300ghz对应的标准波导对接；进一步，两个波导脊分别位于矩形波导两个l1边的中心，脊的内壁宽度l2＝0.43mm且保持不变；两边脊的内壁高度相同，为w2＝0.215mm且保持不变，渐变的矩形波导宽边l1在z最小处为0.43mm，z最大处为2.40mm，且l1沿正z方向均匀变化；由于结构为均匀变化，因而通过以上描述可以唯一确定本实施例对应的双脊模式变换波导1的具体结构；
55.所述渐变矩形波导在在z方向上的长度为5.00mm，z最小处的矩形内壁宽边l1＝2.40mm、窄边w1＝0.43mm，在z最大处内壁的宽边l1＝4.04mm、窄边w1＝0.43mm；所述3个方脊在y方向上的脊高w2和x方向上的脊宽l2均保持不变，分别为w2＝0.215mm及l2＝0.43mm；由于三个方脊中心始终处于所在宽边的1/4、2/4、3/4位置上，且各个尺寸为均匀变化，因而通过上述描述可以唯一确定本实施例对应的多脊分向波导2的结构；
56.所述多脊压缩波导3在z方向上长度为4.00mm；所述矩形波导的波导长、宽保持不变，为长l1＝4.04mm、宽w1＝0.43mm；所述两个渐变方脊脊分布在矩形波导的两侧，在x方向上的脊宽边l2保持不变，均为0.43mm；在y方向上的最大脊高w2为0.215mm，沿z正方向均匀减小至0；由于结构为均匀变化，因而通过以上描述可以唯一确定本实施例对应的多脊压缩波导3的具体结构；
57.对于上述矩形波导te
40
与te
10
模式转换器中任意相邻的部分邻接面完全相同；事实上，本发明所涉及的一种矩形波导te
n0
与te
10
模式转换器，各部分均属于一个整体，仅为方便描述，对其加以区分。
58.实施例3
59.本实施例提供一种功率分配合成器，其结构如图6、图7所示，图7(a)与7(b)为两个方向的分段示意图；由图可见，所述功率分配合成器由5个实施例2中所述矩形波导te
40
与te
10
模式转换器分两级连接而成，其中，第二级包含的4个te
40
与te
10
模式转换器在第一级对应的多脊压缩波导3宽边上紧密排列；在此基础上，在第一级接入一个矩形波导端口，第二级接入对应的4
×
4个矩形波导端口；依此可以得到如图6所示的一个4
×
4功率分配合成阵列；
60.当作为功率分配器时，该器件的第一级将左端输入的一个te
10
模式的电磁波均分成4个te
10
模式的电磁波，并直接输入到第二级的各个模式转换器中；第二级则进一步将其
均分成4
×
4个te
10
模式的电磁波，并最终通过最右端的16个端口向外输出，实现了1分16的功率分配；
61.当作为功率合成器时，首先从右端的4
×
4个端口中输入经移相、幅值调整后的16个独立的te
10
模式的电磁波，第二级则将这16个te
10
模式的电磁波合成4个te
10
模式的电磁波，并直接输入到第一级的te
40
端口；第一级进一步将这4个te
10
模式的电磁波合成，最终合成为一个te
10
模式的电磁波向外输出，实现了16合1的功率合成；
62.由实施例2可知，该模式转换器的最左端的短边l1与最右端的波导短边w2相等，且左右两端的外宽边比例恰好为4；因此本发明实现复杂的功率分配合成二维4
×
4阵列，可以采用模块化的方式，直接将实施例2提供的结构进行简单拼接，这也是本发明的一个核心优点；
63.同样地，对于实施例1提供的矩形波导te
30
与te
10
模式转换器，以相同方式在第一级设置1个te
30
与te
10
模式转换器，并在第二级直接连接3个te
30
与te
10
模式转换器，并在左右两端接入1个及9个矩形波导端口，便可以实现3
×
3的功率分配合成；
64.进一步地，利用本发明提出的任意的te
n0
与te
10
模式转换器，只要保证两级之间的器件短边相等，两级相连处的外宽边尺寸比例等于或略大于m，便可以通过在第一级设置一个te
m0
与te
10
模式转换器，在第二级设置m个te
k0
与te
10
模式转换器，并增加对应的矩形波导端口的方式，实现任意的m
×
k阶的功率分配合成阵列；本发明在保证了带宽大、损耗小的同时，无需复杂的结构，极大降低了成本和加工难度，并且实现了传统器件较难实现的、任意的二维功率分配合成阵列。
65.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或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，均可以任何方式组合。