一种圆波导TM01模式馈入的高功率紧凑型双工器

本发明属于高功率微波传输系统领域，具体涉及一种gw级的圆波导tm01模式馈入的高功率紧凑型双工器。

背景技术：

1、功率微波因为其自身的特点使得其在等离子体加热技术、定向能技术、粒子射频加速、高功率相控阵雷达技术以及未来的空间能源探索等方面有着广阔的应用。常规微波系统中广泛应用的波导滤波器、双工器和合成器等多路耦合输出器件一般都工作在基模，功率容量较低。简单的增大波导尺寸提高功率容量，会导致高次模式的激发和耦合，严重降低系统效率，并且多模叠加引起的强场击穿会严重限制波导器件的功率容量。目前，hpm合成器的功率容量较低，但gw级的合成器又具有很大的应用前景。因此，研究gw级hpm的合成方法，实现更高的输出功率，具有重要理论意义和应用价值。

2、2009年国防科技大学设计了一种使用过模矩形波导的hpm功率合成器，该合成器由两个基于过模矩形波导设计的滤波器和一个t形双工器组成。其中滤波器是在波导e面加入金属插片设计而成，同时还可以有效抑制高次模的产生，而t形双工器处使用阶梯阻抗变换的方式来抑制高次模的产生，将输出端口尺寸变换为非过模波导。仿真结果表明，双工器在各自通道的通频带内都表现出良好的传输特性，传输效率均高于99％，隔离度大于30db，最大输出功率为5.6gw。

3、2013年西北核技术研究所利用过模圆波导滤波器设计了一种hpm合成器，该合成器由两段中心频率分别为9.3ghz、9.7ghz的带通滤波器、六路圆-矩形波导功分、合成器组成。两路hpm经过双工器后分为六路矩形波导进行传输，改变其传输方向后在输出端口处合成并输出。仿真结果表明，当单独输入频率为9.7ghz、功率3gw的微波时，最大场强为893kv/cm，当单独输入频率为9.3ghz、功率1gw的微波时，最大场强为718kv/cm，合成效率大于97％。

4、然而，上述两种合成器结构在工作于时均会因为滤波器的存在而极大程度的限制了其功率容量，且存在拓扑结构不紧凑的现象。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于拍波合成原理的圆波导tm01模式馈入的高功率紧凑型双工器，目的是解决滤波器结构与功率容量的矛盾，解决馈源与干涉仪工作模式不匹配的矛盾，同时改变传统双工器内外嵌套的复杂拓扑达到整体结构的紧凑化与扁平化。本发明能够实现9.7ghz、10ghz处的双频功率合成，且整体结构较为紧凑，易加工，系统功率容量达到gw级别。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种圆波导tm01模式馈入的高功率紧凑型双工器，其特征在于，包括依次连接的第一模式转换结构、第一传输段、干涉仪、第二传输段、第二模式转换结构。

4、其中，所述第一模式转换结构、第一传输段与第二传输段、第二模式转换结构呈镜像对称设置于所述干涉仪的两侧，使双工器呈扁平的拓扑结构。

5、所述第一模式转换结构，将输入的频点为f1的圆波导tm01模式的第一微波信号转换为厚壁矩形波导te10模式，并通过第一传输段传输至干涉仪；所述第二模式转换结构，将输入的频点为f2的圆波导tm01模式的第二微波信号转换为厚壁矩形波导te10模式，并通过第二传输段传输至干涉仪。

6、所述干涉仪，将第一微波信号和第二微波信号合成为一路输出。

7、所述第一传输段、第二传输段、干涉仪均由窄边增厚矩形波导构成，传输模式为厚壁矩形波导te10模式；所述窄边增厚波导的窄边尺寸b大于宽边尺寸a。

8、进一步地，所述干涉仪，包括依次连接的干涉仪输入段、第一3db h面裂缝电桥、移相段、第二3db h面裂缝电桥、干涉仪输出段；其中，所述干涉仪输入段包括两个镜像对称设置的输入传输段，所述涉仪输出段包括两个镜像对称设置的输出传输段；所述第一微波信号、第二微波信号由干涉仪输入段馈入第一3db h面裂缝电桥，通过第一3db h面裂缝电桥、移相段、第二3db h面裂缝电桥后，最终在干涉仪输出段的其中一个输出端口实现双频合成输出。

9、进一步地，所述第一3db h面裂缝电桥和所述第二3db h面裂缝电桥的结构相同、均为四端口元件，四个端口分别为输入端口、隔离端口、输出端口1、输出端口2。

10、3db h面裂缝电桥由输入部分和输出部分构成；其中，所述输入部分为若干段窄边尺寸不变、宽边尺寸依次减小的矩形波导构成的阶梯形结构，且中心轴处设置有h面裂缝；所述输出部分与所述输入部分呈镜像对称。

11、进一步地，所述第一模式转换结构和第二模式转换结构，均包括圆波导、圆波导-径向线tem过渡段、径向线tem-矩形波导te10模式转换段、4个矩形波导、两个e面t型接头、模式转换传输段、h面t型接头、模式转换输出段；其中，所述圆波导将圆波导tm01模式的微波信号传输至所述圆波导-径向线tem过渡段；圆波导tm01模式通过所述圆波导-径向线tem过渡段转换为径向线tem模式；径向线tem模式通过所述径向线tem-矩形波导te10模式转换段耦合为4路矩形波导te10模式的微波信号；4路矩形波导te10模式通过4个矩形波导传输至两个e面t型接头，分别合成得到两路矩形波导te10模式的微波信号；两路微波信号再分别通过一个模式转换传输段传输至h面t型接头，合成为一路；最后通过模式转换输出段转换为厚壁矩形波导te10模式。

12、本发明整体结构由模式转换部分与干涉仪组成，其传输原理大致如下：当两个不同频率的微波信号馈入双工器时，分别进入两个模式转换结构，通过圆波导-径向线tem过渡段转变为tem模式；同轴波导tem模式经过径向线tem-矩形波导te10模式转换段后转换为径向线波导tem模式，该模式沿径向向外传输；通过沿圆周均匀分布的4个耦合端口耦合为矩形波导te10模式，矩形波导的宽边与径向线波导内的电场方向垂直，从而使径向线波导te m模式在矩形波导口内激励起te10模式；4路矩形波导te10模式先通过e面t型接头、再通过h面t型接头合成为一路，最后通过模式转换输出段转换为厚壁矩形波导te10模式供干涉仪使用。频率不同的两路厚壁矩形波导te10模式分别进入干涉仪的两个输入端口，通过第一个3db h面裂缝电桥和移相段后，两个输出端口分别对两信号进行2mπ和(2n-1)π的相位改变，此后再次通过第二个3db h面裂缝电桥，最终在一个输出端口相互叠加输出，在另一个输出端口则会由于相位相差180°而抵消。从而实现双频率的合成输出。

13、本发明的有益效果是：

14、该高功率紧凑型双工器采用干涉仪替代传统合成器中的滤波器，避免了引入滤波器造成的场强集中，同时能够很好的避免双频输入时的微波串扰，解决了滤波器结构与功率容量之间的矛盾，并通过增加干涉仪的厚度达到提高功率容量的目的。

15、该高功率紧凑型双工器通过对圆波导tm01模式与厚壁的矩形波导te10模式进行匹配和转换，为增厚的干涉仪提供了工作所需的模式。从而实现不同频点的圆波导tm01模式的功率合成。

16、该高功率紧凑型双工器改变了传统合成器内外嵌套的形式，采用更加简便的拓扑结构，将两个不同频率信号的馈入端口进行并行排列，使得整体结构扁平化，从而更容易加工，达到拓扑结构紧凑化与简易化的目的。

17、该功率合成器可实现高效率传输，在9.7ghz、10ghz处合成效率可达到96％以上，并且整体功率容量达到gw级。