一种宽带高功率微波同轴TEM-圆波导TE11模式转换器

本发明属于高功率微波，具体涉及一种工作频带宽、功率容量高、加工容易以及输入端口和输出端口中心共轴的同轴tem-圆波导te11模式转换器。

背景技术：

1、高功率微波通常是指峰值功率大于100mw，频率在0.1ghz-300ghz的电磁波。目前，高功率微波技术在定向能武器、等离子体加热、大气监测和空间应用等领域有着广泛应用前景。然而，大多数高功率微波源，例如虚阴极振荡器、相对论磁控管和磁绝缘线振荡器等，通常以角向对称的同轴tem模输出。上述模式若直接驱动辐射天线，所形成的远场方向图呈环状，微波辐射场能量分散，不利于空间远距离传输。因此，在高功率微波源的实际应用中，需要设计一款模式转换器，将同轴tem模转换成能够定向远距离辐射的圆波导te11模。

2、传统的高功率微波模式转换器为双弯曲结构，双弯曲结构的模式转换器转换效率高，但是存在着器件加工困难和输入、输出端口中心不在同一条轴线上的缺点。刘庆想教授和袁成卫博士提出的同轴插板式模式转换器(刘庆想，插板式同轴微波模式变换器，专利号zl200410022230.4)，首先，在同轴波导内插入两块金属板，将同轴tem模分成两路180°扇形波导te11模；然后，在两路180°扇形波导内插入不同长度的金属板，使得上下两路180°扇形波导te11模的相位差为180°；最后，两路180°扇形波导te11模合成为同轴波导te11模，并通过锥体过渡到圆波导te11模，最终实现模式转换。该模式转换器具有功率容量高，输入端口和输出端口中心共轴的优点，但是工作频带较窄，加工困难。为了解决上述问题，本发明设计了一种工作频带宽、功率容量高、加工容易以及输入、输出端口中心共轴的高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是设计一款工作频带宽、功率容量高、加工容易以及输入端口和输出端口中心共轴的模式转换器，能够实现同轴tem模式到圆波导te11模式的转换。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种宽带高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器，其特征在于：由一段输入结构(ⅰ)、一段分区相移结构(ⅱ)、一段过渡匹配结构(ⅲ)以及一段输出结构(ⅳ)级联组成；所述输入结构为同轴波导；所述分区相移结构为圆角形同轴波导，外导体为圆角，内导体的上半部分为两个中心对称的半圆台，内导体的下半部为半圆柱体，内、外导体之间插有金属板；所述过渡匹配结构为圆角形同轴波导，外导体为圆角，内导体为圆台；所述输出结构为圆波导。

4、进一步地，所述输入结构的同轴波导的外半径为r1，内半径为r2，只传播tem模式，满足条件：0<(r1+r2)<c/πf0，其中c为真空中光速，f0为模式转换器的工作频率。

5、进一步地，所述分区相移结构和过渡匹配结构的外导体圆角的高度为h1。

6、进一步地，所述分区相移结构的内导体上半部分的半圆台上底面半径为r3，高度为h2；内、外导体之间插入的金属板长度为l1。

7、进一步地，所述过渡匹配结构的内导体圆台的上底面半径为r4，高度为h3。

8、与现有技术对比，本发明的有益效果在于：

9、(1)工作频带宽。本发明通过引入圆角，能够降低同轴te11模截止频率，拓展工作带宽，本发明转换效率大于90％的相对带宽为22.5％。

10、(2)功率容量高。本发明功率容量高达1.1gw，能够满足高功率微波系统的要求。

11、(3)本发明输入端口和输出端口中心共轴、加工容易，有利于系统的集成和应用。

12、(4)本发明通过合理设计半圆台和圆台的尺寸和位置，能够有效抑制波导截面不连续引起的反射，改善模式转换器的匹配性能，提升工作带宽和转换效率。

技术特征：

1.一种宽带高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器，其特征在于：由一段输入结构(ⅰ)、一段分区相移结构(ⅱ)、一段过渡匹配结构(ⅲ)以及一段输出结构(ⅳ)级联组成；所述输入结构为同轴波导；所述分区相移结构为圆角形同轴波导，外导体为圆角，内导体的上半部分为两个中心对称的半圆台，内导体的下半部分为半圆柱体，内、外导体之间插有金属板；所述过渡匹配结构为圆角形同轴波导，外导体为圆角，内导体为圆台；所述输出结构为圆波导。

2.根据权利要求1所述的一种宽带高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器，其特征在于：所述输入结构同轴波导的外半径为r1，内半径为r2，满足条件：0<(r1+r2)<c/πf0，其中c为真空中光速，f0为模式转换器的工作频率。

3.根据权利要求1所述的一种宽带高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器，其特征在于：所述分区相移结构和过渡匹配结构的外导体圆角的高度为h1。

4.根据权利要求1所述的一种宽带高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器，其特征在于：所述分区相移结构的内导体上半部分的半圆台上底面半径为r3，高度为h2；内、外导体之间插入的金属板长度为l1。

5.根据权利要求1所述的一种宽带高功率微波同轴tem-圆波导te11模式转换器，其特征在于：所述过渡匹配结构的内导体圆台的上底面半径为r4，高度为h3。

技术总结
本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种宽带高功率微波同轴TEM‑圆波导TE11模式转换器，由一段输入结构、一段分区相移结构、一段过渡匹配结构以及一段输出结构级联组成。输入结构为同轴波导；分区相移结构为圆角形同轴波导，外导体为圆角，内导体的上半部分为两个中心对称的半圆台，内导体的下半部分为半圆柱体，内、外导体之间插有金属板；过渡匹配结构为圆角形同轴波导，外导体为圆角，内导体为圆台；输出结构为圆波导。本发明实现了同轴TEM‑圆波导TE11模式的高效转换，具有工作频带宽、功率容量高、加工容易以及输入输出端口中心共轴等优点，能够很好地应用于高功率微波系统中。

技术研发人员：刘强,李科,李应国,晏伟钦
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12