一种圆波导太赫兹涡旋TE21模式转换器

本发明属于太赫兹，具体提供一种圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器。

背景技术：

1、太赫兹波在无线通信、雷达探测、电子对抗、大气环境监测、医学成像、安全检查等领域具有重大意义，相比于毫米波，太赫兹波极高的工作频率更容易实现宽频带系统，对雷达和成像等探测应用而言意味着提高精度，对无线通信等数据传输应用则意味着增加信道带宽、提高数据容量和传输速率。圆波导作为传输信号的常用器件，在微波通信、微波传感、雷达系统等方面广泛应用；圆波导中有一种特殊的电磁涡旋模式，其等相位面是螺旋状，绕着传播轴旋转，且在垂直于传播方向的横截面上呈现幅度沿圆周对称、相位沿圆周均匀变化，可被用于等幅度的径向功率合成/分配中。圆波导的涡旋te21模式因具有较高的抗干扰能力，可以有效提高通信质量和传输距离而广泛应用于卫星通信、雷达系统、航空电子设备中。此外，圆波导te21模作为圆波导高次模，工作在相同频率时，与同轴线主模tem、圆波导主模te11模相比可以设计为更大的物理尺寸，加工需求更低，因此更便于制作高功率太赫兹多路合成网络，高功率太赫兹产生器件。

2、目前，圆波导涡旋te21模式转换器的传统结构通常由弯头、移相器、ht波导功分器、波导魔t组成，虽然这种合成网络损耗小、性能优，但有横向和纵向结构交错、加工配置困难、尺寸较大的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，用以解决传统模式转换器横向和纵向结构交错、加工困难、整体尺寸大等问题，能够适用于太赫兹波段，并具有转换模式纯度高、加工简单、结构紧凑稳定、可靠性高、损耗低等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，包括：1分8路分配结构、空间扭波导与8合1路径向合成结构；其中，矩形波导te10模经1分8路分配结构分为幅度相同的八路三级信号，第一路～第四路三级信号相位相同、第五路至第八路信号相位相同，且第一路信号与第五路信号相位滞后180°；八路三级信号分别经由第一至第八空间扭波导后对应得到幅度相同的八路四级信号，第一路与第二路四级信号相位相同、第三路与第四路四级信号相位相同、第五路与第第六路四级信号相位相同、第七路至第八路信号相位相同；第一路、第三路、第五路与第七路四级信号相位依次滞后180°，共同组成第一组四级信号；第二路、第四路、第六路与第八路四级信号相位依次滞后180°，共同组成第二组四级信号；两组四级信号经8合1路径向合成结构于其圆波导中分别形成幅度相等、相位相差90°的两个线极化圆波导te21模，二者合成为涡旋te21模。

4、进一步的，第一至第八空间扭波导中包括反l型空间扭波导与正l型空间扭波导两类，同一信号分别经过反l型空间扭波导与正l型空间扭波导得到的输出信号幅度相同、相位相差180°；正l型空间扭波导先由输入段矩形波导与输出段矩形波导拼接构成、且拼接构成正“l”形结构，之后输出段矩形波导向上扭转至h面与输入段矩形波导的e面平行；反l型空间扭波导先由输入段矩形波导与输出段矩形波导拼接构成、且拼接构成反“l”形结构，之后输出段矩形波导向上扭转至h面与输入段矩形波导的e面平行。

5、进一步的，1分8路分配结构包括：矩形波导输入端口101、180°波导功分器2、第一零相位差波导功分器301与第二零相位差波导功分器302、第一至第四波导魔t 401～404；矩形波导输入端口te10模经180°波导功分器分为幅度相等、相位相差180°的两路一级信号，两路一级信号再分别经过零相位差波导功分器，每路一级信号分为幅度相等、相位相等的两路二级信号；四路二级信号再分别经过波导魔t，每路二级信号分为幅度相等、相位相等的两路三级信号；第一至第四波导魔t顺时针排布，八路三级信号依次标记为第一至八路三级信号。

6、更进一步的，所述180°波导功分器采用e面波导t形结。

7、更进一步的，所述零相位差波导功分器采用h面波导t形结。

8、更进一步的，所述波导魔t采用h面波导魔t。

9、进一步的，8合1路径向合成结构包括：第一至第八矩形波导壁601～608、匹配结构701、圆波导输出端口702，第一至第八矩形波导壁通过匹配结构连接圆波导输出端口；第一至第八矩形波导壁601～608对应连接第一至第八空间扭波导，第一、第三、第五与第七矩形波导壁构成第一组矩形波导壁，第二、第四、第六与第八矩形波导壁构成第二组矩形波导壁；第一组矩形波导壁或者第二组矩形波导壁中，每条矩形矩形波导壁均加载有90°移相器。

10、更进一步的，所述90°移相器采用90°波导移相支节。

11、基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

12、本发明提供一种圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，能够实现输入矩形波导te10模到圆波导涡旋te21模的转换，并具有如下优点：

13、1、使用90°波导移相支节作为90°移相器，具有相移固定、工作带宽宽、损耗低、稳定性高、易于集成的优点，与传统模式转换器的结构相比，减小了系统的整体尺寸和重量，使其简单紧凑、易于加工，并能减少损耗；

14、2、设计了正l型空间扭波导与反l型空间扭波导，用以改变支路信号的传输方向和相位关系，简化了模式转换器的物理结构，解决了传统转换器横向和纵向结构交错、需要进行多次加工和组装的问题；

15、3、te21模为圆波导高次模，当工作在相同频率时，与工作在主模te11模的圆波导相比可以设计为更大的圆波导尺寸，降低了加工需求，非常适用于太赫兹波段的应用中。

技术特征：

1.一种圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，包括：1分8路分配结构、空间扭波导与8合1路径向合成结构；其中，矩形波导te10模经1分8路分配结构分为幅度相同的八路三级信号，第一路至第四路三级信号相位相同、第五路至第八路信号相位相同，且第一路信号比第五路信号相位滞后180°；八路三级信号分别经由第一至第八空间扭波导后对应得到幅度相同的八路四级信号，第一路与第二路四级信号相位相同、第三路与第四路四级信号相位相同、第五路与第六路四级信号相位相同、第七路至第八路信号相位相同；第一路、第三路、第五路与第七路四级信号相位依次滞后180°，共同组成第一组四级信号；第二路、第四路、第六路与第八路四级信号相位依次滞后180°，共同组成第二组四级信号；两组四级信号经8合1路径向合成结构于其圆波导中形成幅度相等、相位相差90°的两个线极化圆波导te21模，二者合成为涡旋te21模。

2.按权利要求1所述圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，第一至第八空间扭波导中包括反l型空间扭波导与正l型空间扭波导两类，同一信号分别经过反l型空间扭波导与正l型空间扭波导得到的输出信号幅度相同、相位相差180°；正l型空间扭波导先由输入段矩形波导与输出段矩形波导拼接构成、且拼接构成正“l”形结构，之后输出段矩形波导向上扭转至h面与输入段矩形波导的e面平行；反l型空间扭波导先由输入段矩形波导与输出段矩形波导拼接构成、且拼接构成反“l”形结构，之后输出段矩形波导向上扭转至h面与输入段矩形波导的e面平行。

3.按权利要求1所述圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，1分8路分配结构包括：矩形波导输入端口(101)、180°波导功分器(2)、第一零相位差波导功分器(301)与第二零相位差波导功分器(302)、第一至第四波导魔t(401～404)；矩形波导输入端口te10模经180°波导功分器分为幅度相等、相位相差180°的两路一级信号，两路一级信号再分别经过零相位差波导功分器，每路一级信号分为幅度相等、相位相等的两路二级信号；四路二级信号再分别经过波导魔t，每路二级信号分为幅度相等、相位相等的两路三级信号；第一至第四波导魔t顺时针排布，八路三级信号依次标记为第一至八路三级信号。

4.按权利要求3所述圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，所述180°波导功分器采用e面波导t形结。

5.按权利要求3所述圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，所述零相位差波导波功分器采用h面波导t形结。

6.按权利要求3所述圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，所述波导魔t采用h面波导魔t。

7.按权利要求1所述圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，8合1路径向合成结构包括：第一至第八矩形波导壁(601～608)、匹配结构(701)、圆波导输出端口(702)，第一至第八矩形波导壁通过匹配结构连接圆波导输出端口；第一至第八矩形波导壁对应连接第一至第八空间扭波导，第一、第三、第五与第七矩形波导壁构成第一组矩形波导壁，第二、第四、第六与第八矩形波导壁构成第二组矩形波导壁；第一组矩形波导壁或者第二组矩形波导壁中，每条矩形矩形波导壁均加载有90°移相器。

8.按权利要求7所述圆波导太赫兹涡旋te21模式转换器，其特征在于，所述90°移相器采用90°波导移相支节。

技术总结
本发明属于太赫兹技术领域，具体提供一种圆波导太赫兹涡旋TE<subgt;21</subgt;模式转换器，用以解决传统模式转换器横向和纵向结构交错、加工困难、整体尺寸大等问题。本发明包括：1分8路分配结构、空间扭波导与8合1路径向合成结构；矩形波导TE<subgt;10</subgt;模经1分8路分配结构分为幅度相同的八路三级信号，八路三级信号分别经由第一至第八空间扭波导后对应得到幅度相同的八路四级信号、构成两组，每一组中四路信号相位依次滞后180°；两组四级信号经8合1路径向合成结构于其圆波导中分别形成幅度相等、相位相差90°的两个线极化圆波导TE<subgt;21</subgt;模，二者合成为涡旋TE<subgt;21</subgt;模。本发明适用于太赫兹波段，并具有转换模式纯度高、加工简单、结构紧凑稳定、可靠性高、损耗低等优点。

技术研发人员：詹铭周,李虎,段植与,杜泽,王怀北
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17