一种仅存TM模式的强场模式滤波器

摘要

本发明公开了一种仅存TM模式的强场模式滤波器，包括杂模吸收组件和散热组件组成的中空结构，杂模吸收组件包括两端的连接法兰和设置在连接法兰之间的电阻率各向异性部件，散热组件包括壳体和壳体外侧的散热件，所述壳体内侧沿着轴向设置有电阻率各向异性部件，TM模式下沿着沿角向为损耗特性，电阻率远大于轴向的电阻率，轴向为良导体；本发明采用电阻率各向异性材料实现对所有的非TM模式的滤除，具备高功率容量、所有非TM模式杂模滤除的特点，基于该装置，可开展虚阴极振荡器（VCO）、相对论返波管（RBWO）、相对论磁控管等电真空器件或者强场雷达系统旋转关节中模式场控制，为促进微波毫米波相关技术的发展和应用奠定一定技术基础。

权利要求

1.一种仅存TM模式的强场模式滤波器，包括杂模吸收组件和散热组件组成的中空结构，杂模吸收组件包括两端的连接法兰和设置在连接法兰之间的电阻率各向异性部件，散热组件包括壳体和壳体外侧的散热件，其特征在于所述壳体内侧沿着轴向设置有电阻率各向异性部件，TM模式下沿着角向为损耗特性，电阻率远大于轴向的电阻率，轴向为良导体；

所述电阻率各向异性部件沿着角向由若干层结构叠加而成，所述电阻率各向异性部件等效为一个沿着轴向设置的圆柱体，圆柱体为轴向中空结构。

2.根据权利要求1所述的一种仅存TM模式的强场模式滤波器，其特征在于当所述电阻率各向异性部件沿着轴向有若干个独立的所述圆柱体组成时，相邻两个圆柱体之间设置有隔离结构，所述隔离结构与散热组件的壳体为一体结构。

3.根据权利要求2所述的一种仅存TM模式的强场模式滤波器，其特征在于所述隔离结构内孔与各向异性组件内孔结构匹配，隔离结构阻抗与各向异性材料阻抗相匹配。

4.根据权利要求3所述的一种仅存TM模式的强场模式滤波器，其特征在于电阻率各向异性部件和隔离结构构成轴向一个完整的光滑内壁。

5.根据权利要求1所述的一种仅存TM模式的强场模式滤波器，其特征在于所述壳体的内径面与电阻率各向异性部件外表面结构匹配，壳体外边缘与连接法兰的输入端和输出端连接。

6.根据权利要求1所述的一种仅存TM模式的强场模式滤波器，其特征在于所述壳体的两端各自与连接进行密封连接，使得散热组件所处的空间与电阻率各向异性部件所处的空间不相通。

7.根据权利要求6所述的一种仅存TM模式的强场模式滤波器，其特征在于所述散热件为风冷或者水冷结构散热。

8.根据权利要求1所述的一种仅存TM模式的强场模式滤波器，其特征在于所述电阻率各向异性部件是各向异性热解石墨、高定向热解石墨、石墨烯，所述连接法兰为圆波导法兰、矩形波导法兰、椭圆波导法兰各种波导中的一种，连接法兰的阻抗与电阻率各向异性部件的阻抗相匹配。

说明书

一种仅存TM模式的强场模式滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及微波毫米波技术领域，具体是指一种工作在强场强下的模式滤波器，可将输入的非TM模式微波信号衰减、滤除，仅存TM模式低损耗传输的器件。

背景技术

[0002] 随着微波源技术的发展，微波系统向更高频率、更强场强发展，传输导波系统也从同轴波导、矩形波导转变为功率容量更高的过模圆波导。

[0003] 圆波导中传输的高次波型TM01模，其电场与圆周处垂直且旋转对称，相位稳定，因此成为强场毫米波源，诸如虚阴极振荡器（VCO）、相对论返波管（RBWO）、相对论磁控管的工作模式；其场的对称性也使其成为强场雷达等系统中的强场旋转关节的工作模式。

[0004] 但TM01模式为高阶过模，一旦结构扰动，极易产生圆波导基模TE11和TE21等杂模，这些杂模与待传输的强场模式在局部相互叠加增大，成为影响系统稳定性和可靠性的隐患，甚至造成设备严重损坏，因此需开展仅存TM模式的强场模式杂模滤波研究。

[0005] 目前，国内对此类仅存TM模式的强场模式杂模滤除（或者控制）的研究重点主要集中在电真空管源内部，在金属波导内通过介质局部加载吸收杂模场这些方法来保证较高的TM模输出纯度。此外工作在TM01模式的强场旋转关节，其主要杂模由输入、输出耦合段产生，其模式滤除手段主要是通过在输入输出波导两端添加短路圆筒反射TE11模式并减小波导直径使TE21模式截止。

[0006] 综上所述，对杂模抑制方式有三种：a）基于单模传输的杂模截止方式；b）杂模场反射方式；c）介质加载吸收方式。第一种方式通常通过减小波导半径，可以滤除截止频率高于TM01模式工作频率的所有杂模模式，如前述旋转关节中的TE21模式滤除方式，其缺点是波导半径变小，进而会导致波导的功率容量降低，增大系统打火故障概率；第二种方式中，杂模场在系统中反射而不输出，如前述旋转关节中的TE11模式滤除方式，其缺点是来回反射的微波易损坏其它微波器件；同时以上两个方法只能针对某几个特定杂模有效，而不能对所有的杂模均有效；相比而言，利用介质加载对杂模进行高效吸收消耗，能够保证系统的功率容量、稳定性以及可靠性，具有较大的应用优势，如前述电真空管源，但常规的介质加载吸收耗散方式，吸收消耗杂模的同时还无选择的吸收消耗所需的工作TM模式，这是不符合对工作模式低插损的电性能指标要求；同时当系统工作在强场TM模式时，介质耗散的TM模式和杂模的功率极大，易导致加载介质温度过高，进而导致微波系统故障。

[0007] 国家发明专利（CN201711155968.1）公开了一种仅存TE0n模式的强场模式滤波器，通过对电阻率各向异性部件采用轴向的片状叠加设置，使得TE0n模式在波导壁上只有沿角向的波导壁电流，可以基本无损耗的存在壁电流，即可基本无损耗的存在TE0n模式微波信号。

[0008] 因此人们希望有一种模式滤波器，对所有非TM模式的杂模均有效滤除，同时具备较高的功率容量，促进微波毫米波系统相关技术的发展和应用。

发明内容

[0009] 本发明的目的是为了完成强场毫米波系统模式提纯，提供了一种仅存TM模式的模式滤波器。该装置可实现对所有的非TM模式的损耗滤除，同时具备较高的功率容量。

[0010] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种仅存TM模式的强场模式滤波器，包括杂模吸收组件和散热组件组成的中空结构，杂模吸收组件包括两端的连接法兰和设置在连接法兰之间的电阻率各向异性部件，散热组件包括壳体和壳体外侧的散热件，所述壳体内侧沿着轴向设置有电阻率各向异性部件，TM模式下沿着沿角向为损耗特性，电阻率远大于轴向的电阻率，轴向为良导体。

[0011] 在上述技术方案中，所述电阻率各向异性部件等效为一个沿着轴向设置的圆柱体，圆柱体为轴向中空结构。

[0012] 在上述技术方案中，当所述电阻率各向异性部件沿着轴向有若干个独立的所述圆柱体组成时，相邻两个圆柱体之间设置有隔离结构，所述隔离结构与散热组件的壳体为一体结构。

[0013] 在上述技术方案中，所述隔离结构内孔与各向异性组件内孔结构匹配，隔离结构阻抗与各向异性材料阻抗相匹配。

[0014] 在上述技术方案中，电阻率各向异性部件和隔离结构构成轴向一个完整的光滑内壁。

[0015] 在上述技术方案中，所述电阻率各向异性部件为沿着角向的多层叠加结构。

[0016] 在上述技术方案中，所述壳体的内径面与电阻率各向异性部件外表面结构匹配，壳体外边缘与连接法兰的输入端和输出端连接。

[0017] 在上述技术方案中，所述壳体的两端各自与连接进行密封连接，使得散热组件所处的空间与电阻率各向异性部件所处的空间不相通。

[0018] 在上述技术方案中，所述散热件为风冷或者水冷结构散热。

[0019] 在上述技术方案中，所述电阻率各向异性部件可以是各向异性热解石墨、高定向热解石墨、石墨烯，电阻率各向异性材料,其导热性能接近或优于金属铝，所述连接法兰可以为圆波导法兰、矩形波导、椭圆波导各种波导中的一种，连接法兰的阻抗与电阻率各向异性部件的阻抗相匹配。

[0020] 本发明的强场模式滤波器装置的工作原理为：TM模式在波导壁上只有具有轴向壁电流，而各向异性材料沿轴向的电阻率类似于良导体，可以基本无损耗的存在壁电流，即可基本无损耗的存在TM模式微波信号；非TM模式在波导壁上有沿角向的波导壁电流，而各向异性材料沿角向的电阻率类似于电阻损耗材料，可以将这些非TM模式的壁电流耗损掉，即将这些微波信号耗损转换为材料的热量；这部分非TM模式场转化的热量通过壳体传导到散热部件，最后通过成熟的散热部件耗散掉，实现对壳体工作温度的控制，最终完成强场工作时对器件工作温度的控制，即实现强场工作情况下的仅存TM模式的模式滤波。

[0021] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：目前采用的模式滤波方式易导致器件功率容量降低或来回反射易损坏微波源或增大工作TM模式传输插损，同时任意种方法均无法实现对所有非TM杂模的有效抑制。而本发明虽然基于介质加载损耗原理，但采用电阻率各向异性材料实现对所有的非TM模式的滤除，具备高功率容量、所有非TM模式杂模滤除的特点。基于该装置，可开展虚阴极振荡器（VCO）、相对论返波管（RBWO）、相对论磁控管等电真空器件或者强场雷达系统旋转关节中模式场控制；为促进微波毫米波相关技术的发展和应用奠定一定技术基础。

附图说明

[0022] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1仅存TM模式的强场模式滤波器组成示意图;
图2是电阻率各向异性部件的剖面结构示意图；
图中：1是散热件，2是电阻率各向异性部件，3是壳体，4是连接法兰，5是隔离结构。

具体实施方式

[0023] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

[0024] 如图1 所示，本实施例的组成框图，装置由杂模吸收组件和散热组件组成。其中杂模吸收组件包括：两端的连接法兰和连接在连接法兰之间的电阻率各向异性部件，散热组件包括：与两个连接法兰连接为一体的壳体和设置在壳体外表面的散热部件。

[0025] 所述连接法兰包括输入法兰和输出法兰，其法兰的形式可以为圆波导、矩形波导、椭圆波导等不同类型法兰，其输出端与电阻率各向异性部件的输入端连接，其输出阻抗与电阻率各向异性部件输入阻抗相匹配，其材质可以为金属或具有金属导电特性的其它材料，其内孔与电阻率各向异性部件内孔结构匹配，也与输出法兰输入端内孔结构匹配，其边缘与壳体紧密连接，具有良好的热传导能力。

[0026] 所述电阻率各向异性部件为非TM模式微波、毫米波信号吸收或者衰减装置。其信号吸收或者衰减材料可以是各向异性热解石墨、高定向热解石墨、石墨烯等电阻率各向异性部件，如图1所示，其沿轴向（即Z向）为良导体，电阻率接近于铝、铜等金属；沿角向（即r平面）为损耗特性，电阻率远大于轴向的电阻率。电阻率各向异性部件结构可以是一个圆柱或者多个有间隙的圆柱串联组合。其输入端与输入法兰的输出端连接，其输入阻抗与输入法兰的输出阻抗匹配；其输出端与输出法兰的输入端连接，其输出阻抗与输出法兰的输入阻抗相匹配。其内孔与输入法兰输出端内孔结构匹配，也与输出法兰输入端内孔结构匹配，其外边缘与壳体紧密连接，具有良好的热传导能力。当一个圆柱组成时，其材料为前述电阻率各向异性部件。当各向异性部件为多个有间隙的圆柱组成时，其圆柱任然为前述电阻率各向异性部件，其间隙结构内孔与各向异性组件内孔结构匹配，间隙结构阻抗与各向异性材料阻抗相匹配，其材质可以为金属或具有金属导电特性的其它材料，具有良好的导热、导电性能。

[0027] 为了实现电阻率各向异性部件沿角向（即圆周向）为损耗特性，各向异性损耗部件采用多层结构，其沿角向（即圆周向）由若干层结构叠加而成，如图2所示，电阻率各向异性部件为圆柱体结构，中间沿着轴线部分为空心结构，其实体部分为若干沿着轴向的层状结构叠加而成一个整体，因此使得其具备沿角向（即r平面）为损耗特性而沿轴向（即Z向）为良导体。

[0028] 所述壳体为各向异性材料的外壳，与输入法兰、输出法兰一起实现对各向异性部件的固定，同时实现将各向异性部件的热量传导到散热部件。其材质可以为金属或导热性能良好的其它材料。其内孔与各向异性部件外表面结构匹配。壳体外边缘与输入法兰输出端、输出法兰输入端紧密连接，具有良好的热传导能力。如果滤波器采用水冷散热部件，壳体与输入法兰、输出法兰连接后还需具有防漏水功能。

[0029] 所述散热部件，用于实现对壳体的冷却功能，由通用的风冷或水冷部件组成。

[0030] 实施例一其在27～42GHz较大带宽范围内，TM01模式和TM11模式插损都小于0.12dB，而TE11杂模场插损大于0.5dB，TE21杂模场插损大于1.72dB，其结构示意图如图2所示。

[0031] 本例装置中采用的是电阻率各向异性高定向热解石墨，如图1所示在r向壁厚2mm，z向长200mm；电阻率在Z向为3.5～4.5×10-7Ω.m，接近于金属铂的2.22×10-7Ω.m，具备良好的导电性能；电阻率在角向为1.5～2.5×10-3Ω.m，可有效对壁电流进行衰减；热导率在Z向上为1600～2000W/m.k，远大于硬铝的200W/m.k。该材料可耐高温工作，2750℃时最硬，400℃以下氧化不明显，因此可以在大气环境下长期稳定工作，同时材料出气率极低，也可工作在真空中。

[0032] 装置中的壳体采用黄铜材料，壳体起着固定和向外导热的作用。

[0033] 装置中的输入法兰、输出法兰为标准圆波导法兰，采用黄铜材料。

[0034] 装置中散热部件选普通水冷散热部件，采用5000 W/m2/℃作为壳体与散热水间的传热系数。

[0035] 采用成熟的商业软件CST进行多物理场仿真，在27℃的工作环境温度下，TE11、TE21、TM11、TM01任意单一杂模输入功率取5kW，滤模器内高定向热解石墨最大的温升小于60℃，该温升下器件性能基本不变，该器件可以在强场情况下长期稳定工作。

[0036] 通过本实施例的实施，可以解决传统模式滤波方式无法对强场TM系统中所有非TM模式杂模滤除的特点。

[0037] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。