对称双臂矩圆波导模式转换器

摘要

本发明公开的一种对称双臂矩圆波导模式转换器，旨在提供一种结构紧凑、反射系数小，且模式转换效率高的,矩/圆波导模式转换器。本发明通过下述方案实现：插入A层波导腔的矩形波导通过底部台阶进行90°转弯后变为宽波导，以波导宽边中心为对称面向两侧拉伸波导，经过连续两个宽边阶梯发生180°弯折后构成折叠形式的对称双臂；底端弯折后的矩形波导与圆形耦合腔相连对称双臂，经过圆形耦合腔中心的圆盘后转换连接至对称双臂两侧中心的圆波导；矩形波导中的TE10模式信号借助对称面的膜片分为两路等幅同相的TE10模式信号后进入对称双臂，借助圆盘对两路等幅同相的TE10模式信号进行耦合，形成旋转特性的圆波导TM01模式信号后进入圆波导。

权利要求

1.一种对称双臂矩圆波导模式转换器，包括：三层层叠的矩形导体，从上至下分别为A层导体，B层导体和C层导体，从A层导体顶部插入的矩形波导（1），制有圆形耦合腔（4）的B层导体，从C层导体底部插入的圆波导（6），以及围绕圆波导（6）波导腔设置的若干紧固螺钉，其特征在于：插入A层导体的矩形波导（1）通过底部台阶（2）进行90°转弯后变为宽波导（7），以宽波导（7）的宽边中心为对称面向两侧拉伸宽波导（7），经过连续两个宽边阶梯（8）发生

180°弯折后构成折叠形式的对称双臂（3）；矩形波导（1）通过对称双臂（3）与圆形耦合腔（4）相连，经过圆形耦合腔（4）中心的圆盘（5）后转换连接至圆波导（6）；矩形波导（1）中的TE10模式信号借助位于对称面的膜片（9）分为两路等幅同相的TE10模式信号后进入对称双臂（3），在圆形耦合腔4中借助圆盘（5）对两路等幅同相的TE10模式信号进行耦合，形成磁力线具有旋转特性的圆波导TM01模式信号后进入圆波导（6）。

2.如权利要求1所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：对称双臂矩圆波导模式转换器按对称双臂（3）两个宽边阶梯（8）的表面，将波导切分开来进行内部结构加工，切分后形成A层，B层，C层的三层导体结构。

3.如权利要求2所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：矩形波导（1）从A层导体顶部插入，通过底部台阶（2）贯穿A层导体的上端面a和B层导体交接面a′后，与对称双臂（3）相连。

4.如权利要求2所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：A层导体底部台阶（2）与对称双臂（3）正交，底部台阶（2）以90°转弯后变为宽波导（7）。

5.如权利要求1所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：对称双臂（3）以两侧上下两个宽边阶梯（8）形成中空矩形体，底部长边以圆盘（5）为中心，向左右两侧扩展，形成镜像对称围绕圆盘（5）的圆形耦合腔（4）。

6.如权利要求1或2所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：圆形耦合腔（4）通过对应的C层导体的交接面b′向下延伸形成完整屏蔽腔，圆波导（6）通过C层导体和圆形耦合腔（4）连接圆盘（5）与对称双臂（3）耦合， A层导体、B层导体和C层导体之间通过螺钉进行锁紧，构成完整的对称双臂矩圆波导模式转换器。

7.如权利要求2所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：A层导体上制有围绕波导腔的紧固螺钉孔，矩形波导（1）从A层导体顶部波导腔插入，通过底部台阶（2）进行

90°转弯延伸后变为宽波导（7），以波导宽边中心为对称面向两侧拉伸波导形成对称双臂（3）的长边矩形体，长边矩形体发生90°弯折连接两端宽边阶梯（8）形成中空矩形体后穿过B层导体a′交接面。

8.如权利要求7所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：矩形波导（1）的底部长边矩形体通过膜片（9）切分为对称的两部分，分别连接宽边阶梯（8），对称双臂（3）通过对应的A层导体下端面a向对应的B层导体交接面a′向下插入B层导体。

9.如权利要求1所述的对称双臂矩圆波导模式转换器，其特征在于：圆形耦合腔（4）围绕圆盘（5）而设置，圆形耦合腔（4）通过B层导体交接面b′向C层导体b面延伸形成完整屏蔽腔，对称双臂（3）穿过对应的C层导体b上端面后，经过位于圆形耦合腔（4）中心的圆盘（5）连接至圆波导（6）。

说明书

对称双臂矩圆波导模式转换器

技术领域

[0001] 本发明涉及微波/毫米波技术领域，具体涉及包含矩形波导TE10模与圆波导TM01模的变换器，尤其是主要应用于矩形波导与圆波导间信号过渡的对称双臂矩圆波导模式转换
器。

背景技术

[0002] 在矩形波导的导行模式中，具有最低截止频率的TE10模称为主模，其他模式称为高阶模。对于截面尺寸为a×b的矩形波导，当工作频率低于截止频率时，电磁波快速衰减，波
导呈现高通滤波器的特性；只有工作频率高于截止频率时，电磁波才能导行传输。矩形波导
结构简单，加工容易，其主模TE10损耗小、频带宽、激励容易，因此常被作为微波尤其是毫米
波频段的主传输线模式使用。与矩形波导不同，圆波导常用模式除了主模TE11外，还包括了
高次模TE01以及TM01等。在高功率微波系统中往往需要使用合适的高次模进行能量传输，因
而常遇到波导模式变换问题，而矩形一圆波导模式变换是其中最常见也是最重要的组成部
分。其中圆波导TM01模磁场在波导横切面内为闭合曲线，电力线有横向和纵向分量，呈空间
分布状态。整个圆波导TM01模式的电磁场具有轴向对称的特性，因而主要应用在旋转连接馈
线以及波导径向功率合成器中。由于TM01模不是圆波导主模，如何宽带、高效率地将其激励
并抑制其它模式成为了模式转换器设计的关键。如何将常用的矩形波导TE10模变换为圆波
导TM01模成为了微波/毫米波电路设计中必须解决的问题。

[0003] 矩形波导主模与圆波导TM01模转换的技术国内外文献与专利中均有相关报道。尽管人们已经研究了多种矩形波导主模TE10与圆波导TM01的模式转换器,但这些模式转换器
普遍存在结构复杂，转换效率低，工作带宽窄等缺点，还不能很好地满足系统的应用需求。
其中一种基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器和功率合成器(中国专利号
201610944277.9)，公开了一种包括用于输入矩形波导信号的输入端口，与输入端口连接的
模式转换器，将输入信号分为两路等幅同相信号的一级魔T中和臂，两条均与一级魔T综合
臂连接的用于传递其输出的各一路等幅同相信号的C型弯波导，连接于每个C型弯波导末端
的二级魔T中和臂，经过一级魔T中和臂和二级魔T中和臂后所述输入端口的输入信号，被分
为四路等幅同相的信号，四个分别连接于二级魔T中和臂的每一路输出信号的弧形弯波导，
与所有弧形弯波导末端均连接的圆形激励口。该模式转换器借助矩形波导4路功分器来实
现四端激励的圆波导TM01模式转换器，该模式转换器结构形式复杂，且由于采用了多路功分
器，使得信号传输路径大大增加，模式转换器损耗高。文献《圆波导TM01‑矩形波导TE10模式
转换器》中报道，西北核技术研究所高功率微波技术重点实验室的郭乐田等人研制了一种
圆波导TM01‑矩形波导TE10模式转换器，可以实现圆波导TM01模式与矩形波导TE10模式之间的
相互转换。通过S参数矩阵分析了模式转换器的工作原理，通过对称电磁边界条件给出了X
波段中心频率9.7GHz模式转换器设计过程和S，C波段模式转换器设计结果。仿真结果表明：
中心频率为9.7GHz时该模式转换器转换效率大于99.99％，回波损耗小于‑40dB，转换效率
大于90％时的带宽大于0.4GHz,相对带宽只有4.1％。

发明内容

[0004] 为了克服目前微波/毫米波矩形波导TE10模与圆波导TM01模变换器结构复杂、效率低、带宽窄的问题，本发明提供一种结构紧凑、反射系数小，且模式转换效率高的,对称双臂
结构的宽频带、高效率矩形波导—圆波导模式转换器，以达到提升微波/毫米波信号在不同
传输线间过渡效率的目的。

[0005] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种对称双臂矩圆波导模式转换器，包括：至少三层层叠的矩形导体，从A层导体顶部插入的矩形波导1，制有圆形耦合腔4的
B层导体，从C层底部插入的圆波导6，以及围绕波导腔设置的若干紧固螺钉，其特征在于：插
入A层波导腔的矩形波导1通过底部台阶2进行90°转弯后变为宽波导7，以波导宽边中心为
对称面向两侧拉伸波导，经过连续两个宽边阶梯8发生180°弯折后构成折叠形式的对称双
臂3；底端弯折后的矩形波导1与圆形耦合腔4相连对称双臂3，经过圆形耦合腔4中心的圆盘
5后转换连接至位于对称双臂3两侧中心的圆波导6；矩形波导1中的TE10模式信号借助位于
对称面的膜片9分为两路等幅同相的TE10模式信号后进入对称双臂3，在圆形耦合腔4中借助
圆盘5对两路等幅同相的TE10模式信号进行耦合，形成磁力线具有旋转特性的圆波导TM01模
式信号后进入圆波导6。

[0006] 本发明相比于现有技术的模式变换器具有如下有益效果。

[0007] 结构紧凑、反射系数小。本发明采用三层层叠的矩形导体，从A层导体顶部插入的矩形波导1，制有圆形耦合腔4的B层导体，从C层底部插入的圆波导6组成对称双臂矩圆波导
模式转换器，体积小、质量轻、结构紧凑、加工制造难度低等优点。利用插入A层波导腔的矩
形波导1通过底部台阶2进行90°转弯后变为宽波导7，以波导宽边中心为对称面向两侧拉伸
波导的阻抗变换方式，实现了波导口良好的阻抗匹配，反射系数小。

[0008] 宽频带。本发明采用经过连续两个宽边阶梯8发生180°弯折后构成折叠形式的对称双臂3与圆形耦合腔4相连，经过圆形耦合腔4中心的圆盘5后转换连接至位于对称双臂3
两侧中心的圆波导6。模式转换器借助对称双臂进行激励，结构上的对称有利于激励出具有
旋转对称特性的圆波导TM01模式信号，因此本发明在工作带宽上相比现有技术具有很大改
善。通过对3mm波段的一个实例进行数值计算，该模式变换器转换效率大于90％的相对带宽
达到20％，避免了高次模影响模式转换器工作带宽的问题。

[0009] 转换效率高。本发明矩形波导1中的TE10模式信号借助位于对称面的膜片9分为两路等幅同相的TE10模式信号后进入对称双臂3，通过在圆形耦合腔4中借助圆盘5对两路等幅
同相的TE10模式信号进行耦合，形成磁力线具有旋转特性的圆波导TM01模式信号后进入圆
波导6。采用双臂激励，传输路径短，克服了现有技术借助矩形波导4路功分器来实现四端激
励的圆波导TM01模式转换器结构形式复杂的缺陷，以及现有技术由于采用了多路功分器，使
得信号传输路径大大增加，模式转换器损耗高的问题。通过对3mm波段的一个实例进行数值
计算，该模式变换器在中心频率96GHz具有最高转换效率99.9％，能够避免高次模以及模式
变换过程过于复杂导致能量损失的问题。

[0010] 本发明主要应用于矩形波导与圆波导间信号的过渡。

附图说明

[0011] 图1是本发明对称双臂矩圆波导模式转换器的三维透视图。

[0012] 图2是图1前视透视图。

[0013] 图3是图2中B层导体a′向内部结构图。

[0014] 图4是图2中B层导体b′向内部结构图。

[0015] 图中：1矩形波导，2台阶，3对称双臂，4圆形耦合腔，5圆盘，6圆波导，7宽波导，8宽边阶梯，9膜片。

[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

[0017] 参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，一种对称双臂矩圆波导模式转换器，包括：至少三层层叠的矩形导体，从A层导体顶部插入的矩形波导1，制有圆形耦合腔4的B层导体，
从C层底部插入的圆波导6，以及围绕波导腔设置的若干紧固螺钉，其中：插入A层波导腔的
矩形波导1通过底部台阶2进行90°转弯后变为宽波导7，以波导宽边中心为对称面向两侧拉
伸波导，经过连续两个宽边阶梯8发生180°弯折后构成折叠形式的对称双臂3；底端弯折后
的矩形波导1与圆形耦合腔4通过对称双臂3相连，经过圆形耦合腔4中心的圆盘5后转换连
接至位于对称双臂3两侧中心的圆波导6；矩形波导1中的TE10模式信号借助位于对称面的膜
片9分为两路等幅同相的TE10模式信号后进入对称双臂3，通过在圆形耦合腔4中借助圆盘5
对两路等幅同相的TE10模式信号进行耦合，形成磁力线具有旋转特性的圆波导TM01模式信
号后进入圆波导6。

[0018] 对称双臂结构的矩形波导/圆波导模式转换器按对称双臂3两个宽边台阶8的表面，将波导切分开来进行内部结构加工，切分后形成A层，B层，C层的三层导体结构，矩形波
导1从A层导体顶部插入，通过底部台阶2和底部端面a与B层导体交接面a′，交联在对称双臂
3上。A层导体底部台阶2正交对称双臂3，底部台阶2以90°转弯后变为宽波导7。对称双臂3以
两侧上下两个宽边台阶8形成中空矩形体，底部长边以圆盘5为中心，向左右两侧扩展，形成
镜像对称围绕圆盘5的圆形耦合腔4。圆形耦合腔4通过C层导体b的交接面b′向下延伸形成
完整屏蔽腔，圆波导6通过C层导体和圆形耦合腔4连接圆盘5与对称双臂3耦合，A层、B层和C
层的三层间通过螺钉进行锁紧，构成完整的对称双臂结构的矩形波导/圆波导模式转换器。

[0019] 参阅图3。A层导体上制有围绕波导腔的紧固螺钉孔，矩形波导1从A层导体顶部波导腔插入，通过底部台阶2进行90°转弯延伸后变为宽波导7，以波导宽边中心为对称面向两
侧拉伸波导形成对称双臂3的长边矩形体，长边矩形体发生90°弯折连接两端宽边阶梯8形
成中空矩形体后穿过B层导体a′交接面。长边矩形体底部通过膜片9对波导进行切分，切分
为对称膜片9连接宽边阶梯8的两部分，宽波导7将两侧对称双臂3通过A层导体底部面a向B
层导体交接面a′向下插入B层导体。

[0020] 参阅图4。B层导体按对称双臂3进行对称切分形成以两端宽边阶梯8的矩形腔体，矩形腔体以圆盘5为中心向左右两侧扩展，形成镜像对称围绕圆盘5的圆形耦合腔4，圆形耦
合腔4通过B层导体交接面b′向C层导体b面延伸形成完整屏蔽腔，对称双臂3穿过C层导体b
向面后，经过位于圆形耦合腔4中心的圆盘5连接至两侧中心的圆波导6。

[0021] 以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出
替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，
可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。