一种高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器

摘要

本发明涉及一种模式转换器，尤其是一种高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器。包括由内导体和外导体构成的同轴波导，同轴波导中部的内导体、外导体之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板；所述模式转换器从前到后被四块金属板依次分割A、B、C、D、E为五段；所述模式转换器的第三金属板由三块金属板构成，三块金属板中中间的金属板可以随着开设在内导体上的凹槽轴向移动；A段同轴波导段设置有两排支撑杆；E段(输出段)的内导体由A、B、C、D段内导体一直延伸到与外导体后端出口平齐。本发明具有更宽的转换效率带宽、更高的转换效率。

权利要求

1.一种高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器，包括由内导体和外导体构成的同轴波导，同轴波导中部的内导体、外导体之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板，且四块金属板均分别与同轴波导的内导体、外导体电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；所述模式转换器从前到后被四块金属板依次分割为五段：A段，由内导体和外导体形成的同轴波导段；B段，由第一、二、三、四金属板分割成的四个90°扇形截面波导，其长度等于第一金属板的长度；C段，由第二、四金属板形成的180°的扇形截面波导，和第二、三金属板，第三、四金属板分割成的两个90°扇形截面波导，长度等于第三金属板长度与第一金属板长度的差值；D段，由第二、四金属板形成的两个180°的扇形截面波导，其长度等于第二、四金属板与第三金属板长度的差值；E段，由外导体和内导体形成的同轴波导段；

其特征在于： 所述模式转换器的第三金属板由三块金属板构成，三块金属板轴向插入同轴波导的内导体、外导体之间，通过分别开设在内导体、外导体沿圆周角向分布的凹槽固定，且三块金属板均与同轴波导的内导体、外导体电连接；三块金属板中外侧的两块金属板完全相同，插入内外导体后固定不动，三块金属板中中间的金属板与外侧的两块金属板长度相同，与内导体电接触的一侧平面光滑，可以随着开设在内导体上的凹槽轴向移动，固定中间的金属板的凹槽的长度应大于固定靠近外侧的两块金属板的凹槽的长度；三块金属板中中间的金属板与外导体电连接的一侧平面设置为齿条，可以在外置齿轮驱动下沿同轴波导的轴向进行滑动；

所述模式转换器E段的内导体由A、B、C、D段内导体一直延伸到与外导体后端出口平齐，最终微波的输出模式为同轴波导TE11模，从而实现同轴波导TEM模到同轴波导TE11模的变换。

2.根据权利要求1所述高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器，其特征在于：所述模式转换器A段同轴波导段设置有两排支撑杆，每排支撑杆由四根均匀沿圆周角向分布的支撑杆组成，且分别与第一、二、三、四金属板的角向分布相同，所述两排支撑杆之间的相对位置固定不变并可以沿A段内外导体圆周角向分别开设的四段凹槽轴向移动。

说明书

一种高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种模式转换器，尤其是一种高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器。

背景技术

[0002] 高功率微波一般指峰值功率大于100MW、频率在1GHz-300GHz范围内的电磁波。近年来，高功率微波在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大地技术进步。目前，高功率微波源的研究主要集中在L、S、C、X等波段、频率固定的窄带器件。发展具有频率可调谐功能的高功率微波设备将是高功率微波研究领域的下一重点之一。多数高功率微波源均输出同轴波导或圆波导旋转轴对称模，如TM0n或同轴TEM模等，其中主流模式是圆波导TM01模和同轴TEM模。由于这些模式的场分布和极化方向在波导横截面上绕波导轴具有旋转对称性，因而其辐射方向呈现出轴向为零的环状远场方向图。显然，这样的模式若直接发射或用于驱动传统的天线将会有轴向为零、能量分散、旁瓣电平高等问题，最终导致能量不能有效地集中在目标上。因此，在应用中通常需要用高功率微波模式转换器将高功率微波源产生的圆波导TM01模或同轴波导TEM模转换为TE11模，再通过天线辐射出去。

[0003] 目前，被广泛采用的高功率微波模式转换器是插板式同轴微波模式转换器（刘庆想，插板式同轴微波模式转换器，专利号ZL200410022230.4），包括前部由内导体6和外导体7构成的同轴波导和后部由单纯外导体7构成的圆波导，同轴波导的内导体6、外导体7之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板1、2、3、4，且四块金属板1、2、3、4都分别与同轴波导的内导体6、外导体7电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；

[0004] 第一金属板1最短，第二、第四金属板2、4的长度最长且相等，第三金属板3的长度短于第二、第四金属板2、4。设第一、二、三、四金属板1、2、3、4的长度分别为L1、L2、L3、L4，则L1< L3< L2=L4；

[0005] 第三金属板3的长度与第一金属板1的差值满足：由第二、四金属板2、4构成的180°扇形截面波导中的微波电场模式与第二、三金属板2、3或第三、四金属板3、4构成的90°扇形截面波导中的微波电场模式的相位相差180°。

[0006] 同轴波导的内导体6的末端呈一定坡度的锥形。

[0007] 该发明插板式同轴微波模式转换器，从前到后被四块金属板依次分割为六段：A段，由内导体6和外导体7形成的同轴波导段；B段，由第一、二、三、四金属板1、2、3、4分割成的四个90°扇形截面波导，其长度Lb等于第一金属板1的长度L1, 即Lb=L1；C段，由第二、四金属板2、4形成的180°的扇形截面波导，和第二、三金属板2、3，第三、四金属板3、4分割成的两个90°扇形截面波导，它们的长度Lc等于第三金属板3长度L3与第一金属板1长度L1的差值，即Lc= L3-L1；D段，由第二、四金属板2、4形成的两个180°的扇形截面波导，其长度Ld等于第二、四金属板2、4与第三金属板3长度的差值，即Ld=L2-L3=L4-L3；E段，由外导体7和呈一定坡度的锥形内导体6形成的同轴波导段；F段，仅由外导体形成的圆波导段。

[0008] 由于在C段，波导的一半为一个180°扇形截面波导，另一半为两个90°扇形截面波导。因两部分波导形状不同，在里面传输的TE11模的传播常数β也不同，从而在C段的末端导致了两部分电场的相位不同。当第三金属板3和第一金属板1的长度L1、L3满足关系式（β1-β3）（L3-L1）=π时，在C段的末端，两部分扇形截面波导中的TE11模有180°的相位差。式中β1、β3分别表示180°、90°扇形截面波导中TE11模的传播常数。

[0009] 该结构优点在于：结构简单、容易实现、功率容量高、输入输出同轴。但是这种模式转换器也存在不足：转换效率大于90%的带宽一般都在10%左右，不能满足大范围调频的高功率微波器件的需求。

[0010] 基于高功率微波源向可调谐发展的特点，研制能够高效率转换波导圆波导TM01模或同轴TEM模——TE11模并具有较宽转换效率带宽的模式转换器具有广阔的应用前景和重要的科研价值。

发明内容

[0011] 本发明要解决的技术问题是：设计一种高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器，它能够在提高转换效率带宽的同时做到在整个带宽范围内都达到高转换效率。

[0012] 本发明的具体技术方案是：一种高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器，其主体结构与中国发明专利ZL200410022230.4相同，即包括由内导体和外导体构成的同轴波导，同轴波导中部的内导体、外导体之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板，且四块金属板均分别与同轴波导的内导体、外导体电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；所述模式转换器从前到后被四块金属板依次分割为五段：A段，由内导体和外导体形成的同轴波导段；B段，由第一、二、三、四金属板分割成的四个90°扇形截面波导，其长度等于第一金属板的长度；C段，由第二、四金属板形成的180°的扇形截面波导，和第二、三金属板，第三、四金属板分割成的两个90°扇形截面波导，长度等于第三金属板长度与第一金属板长度的差值；D段，由第二、四金属板形成的两个180°的扇形截面波导，其长度等于第二、四金属板与第三金属板长度的差值；E段，由外导体和内导体形成的同轴波导段；与中国发明专利ZL200410022230.4不同的是：

[0013] 1. 所述模式转换器第三金属板由三块金属板构成，三块金属板轴向插入同轴波导的内导体、外导体之间，通过分别开设在内导体、外导体沿圆周角向分布的凹槽固定，且三块金属板均与同轴波导的内导体、外导体电连接。三块金属板中外侧的两块金属板完全相同，插入内外导体后固定不动；三块金属板中中间的金属板与外侧的两块金属板长度相同，与内导体电接触的一侧平面光滑，可以随着开设在内导体上的凹槽轴向移动，固定中间的金属板的凹槽的长度应大于固定靠近外侧的两块金属板的凹槽的长度，其具体值根据实际情况确定；三块金属板中中间的金属板与外导体电连接的一侧平面设置为齿条，可以在外置齿轮驱动下沿同轴波导的轴向进行滑动。

[0014] 2. 所述模式转换器A段同轴波导段设置有两排支撑杆，每排支撑杆由四根均匀沿圆周角向分布的支撑杆组成，且分别与第一、二、三、四金属板的角向分布相同，所述两排支撑杆之间的相对位置固定不变并可以沿A段内外导体圆周角向分别开设的四段凹槽轴向移动。

[0015] 3. 所述模式转换器E段（输出段）的内导体由A、B、C、D段内导体一直延伸到与外导体后端出口平齐，最终微波的输出模式为同轴波导TE11模，从而实现同轴波导TEM模到同轴波导TE11模的变换。

[0016] 本发明的工作过程是：A段为微波源输入的同轴TEM模，该TEM模在B段转换为四个90°扇形截面波导中的TE11模，C段前端180°扇形截面波导和两个90°扇形截面波导中的TE11模微波电场的极化方向相反，而在C段末端两种波导中的TEM模微波电场较之前端产生180°相位差，而使两种波导中的电场极化方向由相反变为相同；D段的两个180°扇形截面波导中传输的是电场极化方向一致的TE11模；E段中的微波模式变换为同轴波导中的TE11模。从而实现同轴波导TEM模到同轴波导TE11模的变换。

[0017] 当第三金属板中中间的金属板在外置齿轮的驱动下，沿着内外导体的凹槽轴向移动时，第三金属板长度L3连续变化，从而在连续频点处满足关系式（β1-β3）（L3-L1）=π；同时沿内外导体凹槽轴向移动两排支撑杆到相应位置，以减小反射损耗；最终实现较宽频带范围内的高效率转换。

[0018] 采用本发明在拥有中国发明专利ZL200410022230.4所具有的全部技术效果的同时，还可以达到以下技术效果：

[0019] 1. 本发明高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器中，第三金属板中中间的金属板可以在内外导体的凹槽中沿轴向移动，即第三金属板长度L3可以连续变化，在连续频点处满足关系式（β1-β3）（L3-L1）=π；而中国发明专利ZL200410022230.4中四个金属板长度固定，只在中心频点处满足关系式（β1-β3）（L3-L1）=π。从而，本发明具有更宽的转换效率带宽。

[0020] 2. 本发明高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器中，增加了两排支撑杆，两排金属杆在保持相对位置固定不变的情况下可以在内外导体的凹槽中沿轴向移动，以减小反射损耗。中国发明专利ZL200410022230.4中没有支撑杆，所以在距离中心频点较远处反射损耗很大；本发明中支撑杆的设计减小了反射损耗，更利于提高转换效率。

附图说明

[0021] 图1. 背景技术所述插板式同轴微波模式转换器的后端剖面图（刘庆想，插板式同轴微波模式转换器，专利号ZL200410022230.4）；

[0022] 图2. 图1的NN’剖面图；

[0023] 图3. 图1的MM’剖面图；

[0024] 图4. 本发明所述高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器的三维模型示意图；

[0025] 图5. 图4的前视图；

[0026] 图6. 图4的后视图；

[0027] 图7. 图4的左视图；

[0028] 图8. 图5的NN’剖面图；

[0029] 图9 图5的MM’剖面图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述，定义模式转换器微波输入的一端为前端，微波输出的一端为后端。

[0031] 图1-3分别为国家发明专利ZL200410022230.4所述插板式同轴微波模式转换器的后端剖面图、NN’剖面图和MM’剖面图。该插板式同轴微波模式转换器包括前部由内导体6和外导体7构成的同轴波导和后部由单纯外导体7构成的圆波导，同轴波导的内导体6、外导体7之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板1、2、3、4，且四块金属板1、
2、3、4都分别与同轴波导的内导体6、外导体7电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；第一金属板1最短，第二、第四金属板2、4的长度最长且相等，第三金属板3的长度短于第二、第四金属板2、4；第三金属板3的长度与第一金属板1长度的差值满足如下关系：由第二、四金属板
2、4构成的180°扇形截面波导中的微波电场模式与第二、三金属板2、3或第三、四金属板3、4构成的90°扇形截面波导中的微波电场模式的相位相差180°；同轴波导的内导体6的末端呈一定坡度的锥形。

[0032] 该发明插板式同轴微波模式转换器，从前到后被四块金属板依次分割为六段：A段，由内导体6和外导体7形成的同轴波导段；B段，由第一、二、三、四金属板1、2、3、4分割成的四个90°扇形截面波导，其长度Lb等于第一金属板1的长度L1, 即Lb=L1；C段，由第二、四金属板2、4形成的180°的扇形截面波导，和第二、三金属板2、3，第三、四金属板3、4分割成的两个90°扇形截面波导，它们的长度Lc等于第三金属板3长度L3与第一金属板1长度L1的差值，即Lc=L3-L1；D段，由第二、四金属板2、4形成的两个180°的扇形截面波导，其长度Ld等于第二、四金属板2、4与第三金属板3长度的差值，即Ld=L2-L3=L2-L4；E段，由外导体7和呈一定坡度的锥形内导体6形成的同轴波导段；F段，仅由外导体形成的圆波导段。

[0033] 由于在C段，波导的一半为一个180°扇形截面波导，另一半为两个90°扇形截面波导。因两部分波导形状不同，在里面传输的TE11模的传播常数β也不同，从而在C段的末端导致了两部分电场的相位不同。当第三金属板3和第一金属板1的长度L1、L3满足关系式（β1-β3）（L3-L1）=π时，在C段的末端，两部分扇形截面波导中的TE11模有180°的相位差。式中β1、β3分别表示180°、90°扇形截面波导中TE11模的传播常数。

[0034] 该发明的工作过程是：A段为微波源输入的同轴TEM模，该TEM模在B段转换为四个90°扇形截面波导中的TE11模，C段前端180°扇形截面波导和两个90°扇形截面波导中的TE11模微波电场的极化方向相反，而在C段末端两种波导中的TEM模微波电场较之前端产生180°相位差，而使两种波导中的电场极化方向由相反变为相同；D段的两个180°扇形截面波导中传输的是电场极化方向一致的TE11模；E段中的微波模式变换为同轴波导中的TE11模；F段的微波模式则变换为圆波导TE11模。从而实现同轴波导TEM模到圆波导TE11模的变换。

[0035] 图4-7为本发明所述高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器的三维模型示意图及三维模型示意图的前视图、后视图、左视图。图8-9为本发明所述高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器的NN’剖面图、MM’剖面图。

[0036] 如图4-9所示，本发明所述高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器，其主体结构与中国发明专利ZL200410022230.4相同，即包括由内导体6和外导体7构成的同轴波导，同轴波导中部的内导体6、外导体7之间轴向插有第一、二、三、四共四块前端对齐的、矩形的金属板1、2、3、4，且四块金属板1、2、3、4都分别与同轴波导的内导体6、外导体7电连接，相邻的任两金属板间呈90°角；所述模式转换器从前到后被四块金属板依次分割为五段：A段，由内导体6和外导体7形成的同轴波导段；B段，由第一、二、三、四金属板1、2、3、4分割成的四个90°扇形截面波导，其长度Lb等于第一金属板1的长度L1, 即Lb=L1；C段，由第二、四金属板2、4形成的180°的扇形截面波导，和第二、三金属板2、3，第三、四金属板3、4分割成的两个90°扇形截面波导，它们的长度Lc等于第三金属板3长度L3与第一金属板1长度L1的差值，即Lc= L3-L1；D段，由第二、四金属板2、4形成的两个180°的扇形截面波导，其长度Ld等于第二、四金属板2、4与第三金属板3长度的差值，即Ld=L2-L3=L4-L3；E段，由外导体7和内导体6形成的同轴波导段，与中国发明专利ZL200410022230.4不同的是：

[0037] 1. 所述模式转换器第三金属板3由三块金属板构成，三块金属板轴向插入同轴波导的内导体6、外导体7之间，通过分别开设在内导体6、外导体7沿圆周角向分布的凹槽固定，且三块金属板均与同轴波导的内导体6、外导体7电连接。三块金属板中外侧的两块金属板完全相同，插入内外导体6、7后固定不动。三块金属板中中间的金属板与外侧的两块金属板长度相同，与内导体6电接触的一侧平面光滑，可以在内外导体6、7的凹槽中沿轴向移动，固定中间的金属板的凹槽的长度应大于固定靠近外侧的两块金属板的凹槽的长度，其具体值根据实际情况确定；三块金属板中中间的金属板与外导体6电连接的一侧平面设置为齿条，可以在外置齿轮驱动下沿同轴波导的轴向进行滑动。

[0038] 2. 所述模式转换器A段同轴波导段设置有两排支撑杆5，每排支撑杆由四根均匀沿圆周角向分布的支撑杆组成，且分别与第一、二、三、四金属板1、2、3、4的角向分布相同，所述两排支撑杆5之间的相对位置固定不变并可以在A段的内外导体6、7的凹槽中沿轴向移动。

[0039] 3. 所述模式转换器E段（输出段）的内导体由A、B、C、D段内导体一直延伸到与外导体后端出口平齐，最终微波的输出模式为同轴波导TE11模，从而实现同轴波导TEM模到同轴波导TE11模的变换。

[0040] 本发明中，当第三金属板3中间的金属板在内外导体6、7的凹槽11、10中沿轴向移动时，第三金属板3长度L3连续变化，从而在连续频点处满足关系式（β1-β3）（L3-L1）=π；此外，沿内外导体6、7凹槽12轴向移动两排支撑杆5到相应位置，以减小反射损耗，最终实现较宽频带范围内的高效率转换。

[0041] 与中国发明专利ZL200410022230.4所述的插板式同轴微波模式转换器相比，本发明所述高转换效率的宽带调频同轴插板式模式转换器具有更宽的转换效率带宽、更高的转换效率。