一种基于连续光栅结构的高功率毫米波宽带模式变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于真空元器件的微波传输领域，具体涉及一种基于连续光栅结构的高功 率毫米波宽带模式变换器，用于把回旋管输出的TE(), 1模转换成适宜在空气中传播的TEMoo 模。
【背景技术】
[0002] 高功率毫米波在远距离高分辨率雷达、电子回旋谐振加热、超级干扰机、加速器、 精细陶瓷烧结、材料表面处理、等离子体化学等科学研究领域具有广泛应用。回旋行波管具 有高功率、宽频带的特点，是毫米波亚毫米波频段上的理想功率源。为了能降低器件的工作 损耗以及提高驻波互作用效率，高功率回旋行波管通常采用圆波导TEiu模作为工作模式。 圆波导TE m模轴向辐射的近轴区域呈空心圆锥状，若直接发射或者用于驱动传统的天线存 在轴向辐射为零、能量分散、旁瓣电平高等问题，最终会导致回旋管输出的能量不能有效地 集中在目标上。因此，需要利用模式变换器将这些不适合直接传输和应用的波导模式变换 所需要的便于直接传输和应用的模式。
[0003] 目前，实现高功率模式转换的技术主要有基于波导结构的逐级变换技术和准光模 式变换技术。基于波导结构的逐级变换方式:通过利用蛇弯或者弧弯结构将回旋管输出的 TEM模式转换成对应的TE1;1或者TM1;1模式，然后利用波纹渐变波导模式变换器将TE 1;1或者 TM1;1模式转换成便于直接传输和应用的HE1;1模式或者TEMoo模式。这种逐级变换的方式转换 效率高，但是存在功率容量有限、变换链路过长、工作带宽窄等不足。随着毫米波高功率回 旋管功率水平与工作频率的不断提高、输出波导的过模程度加剧，逐渐变换的方式难以抑 制寄生模式的出现。即使引入先进算法技术也只能在一定程度上扩展模式变换器的工作带 宽、减少了变换长度，也不能满足高功率系统对功率水平、工作带宽以及紧凑化的要求。因 此，逐渐变换的方式不适合大功率宽带回旋行波管的输出。
[0004] 由于准光技术利用聚焦镜面等准光部件来控制电磁波的传输，没有波导的边壁， 不存在易打火的不连续边缘从而可以突破功率容量的限制；另一方面，通过优化设计波导 辐射器、相位修正镜等准光部件可以提高模式转换的效率。因此，可以利用准光技术来实现 高功率毫米波TE01-TEM00模式的转换。但是无论是采用Vlasov型的准光模式变换还是 Denisov型的准光模式变换器，都只能实现单频点工作。2000年，俄罗斯应用物理研究所 V.I.Belovsov等人通过采用非二次曲面镜、带有跳台的光栅镜、匹配镜面等组件实现了 TEoi-TEMqq模式的宽频带转换[V. I .Belousovs，A.A.Bogdashov，A.V.Chirkov G.G.Denisov,TE0i-TEM00Quasi-Optical Mode Converter,International Journal of Infrared and Millimeter Waves,2000,21(2): 187-192]，由于跳台存在，使得的光概镜面 存在不连续性，从而使得光栅镜面在高功率情况下容易发生击穿。此外，该变换结构还存在 输出模式纯度不高以及体积庞大等不足。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种频带宽、功率容量高、结构紧凑的大功率毫米波TEm TEMm模式转换器。
[0006] 本发明采用以下技术方案：
[0007] -种基于连续光栅结构的高功率毫米波宽带模式变换器，包括圆波导辐射器、匹 配镜、极化光栅镜以及相位修正系统，其特征在于 :TE(u模从圆波导辐射器射出，经匹配镜 后被转换为波束大小合适的准平面电磁波;然后准平面电磁波经过极化光栅镜转换成单一 极化方向、场强分布为中间强两端弱的线极化波;最后相位修正系统对单一线极化波的束 斑大小、相位进行调整与修正，使之生成一个具有特定束斑大小的TEMoo模，完成圆波导 TEtu-TEMoo模式的转换。
[0008] 进一步地，所述匹配镜为椭球镜或抛物面镜。
[0009] 进一步地，所述匹配镜与圆波导的轴线呈45度夹角。
[0010] 进一步地，所述极化光栅镜为中心开孔的连续型变周期光栅镜。
[0011] 进一步地，所述极化光栅镜面的法向与匹配镜面的法线呈45度夹角。
[0012] 进一步地，所述相位修正系统包括第一相位修正镜与第二相位修正镜，两补偿镜 均为非规则曲面镜，两镜面方向相对平行。
[0013] 进一步地，所述高功率毫米波宽带模式变换器设置于金属腔内。
[0014] 本发明中，从圆波导辐射器出射到空间的辐射TE(),1模具有曲面波前，经过抛物面 镜后被转换为波束大小合适的准平面电磁波。放置在椭球镜后的连续型变周期光栅镜将无 固定极化方向、场强分布对称的准平面波转换成单一极化方向、场强分布为中间强两端弱 的线极化波。最后，通过相位修正系统对得到的单一线极化波的束斑大小、相位进行调整与 修正，生成一个具有特定束斑大小的TEMoo模(高斯波束），完成圆波导TEu-TEMoo模式的转 换。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 1.工作频带宽，输出模式纯度高。在相对带宽大于15%的范围内，模式转换效率高 于95%，模式标量纯度高于95%，矢量模式纯度高于92%。若降低带宽要求，模式转换效率 还可以进一步提高，完全满足目前大功率毫米波回旋行波管的输出要求。
[0017] 2.功率容量高，由于所有部件均采用反射式镜面结构，便于散热及设计冷却结构。 因此可用于功率为0-10GW，甚至更高功率的毫米波模式变换。
[0018] 3.结构简单紧凑，易加工，易于与高功率毫米波系统集成。
[0019] 4.可安装在金属腔中，避免外界电磁环境的干扰。
【附图说明】
[0020] 图1是基于连续光栅结构的高功率毫米波宽带模式变换器。
[0021 ]图2是匹配镜面结构及剖面示意图。
[0022]图3是连续变化的极化光栅结构示意图。
[0023]图4是极化光栅工作原理图。
[0024] 图5是基于连续光栅结构的高功率毫米波宽带模式变换器的输出场分布。
[0025] 图6是基于连续光栅结构的高功率毫米波宽带模式变换器的输出场纯度随频率的 变化关系。
[0026]图中：1.圆波导福射器2.椭球镜3.连续型极化光栅镜，4.第一相位修正镜，5.第 二相位修正镜。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本专利进行进一步说明。
[0028] -种基于连续光栅结构的高功率毫米波宽带模式变换器包括:圆波导辐射器（1