基于分层介质的宽频带模式变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了基于分层介质的宽频带模式变换器，它包括规则圆波导和低损耗、耐高温分层介质。所述规则圆波导为圆筒形，所述低损耗、耐高温分层介质是填充在圆波导内沿其轴向渐变的径向分层介质、角向分层介质或径向和角向都分层介质，各层介质由不同介电常数或有效介电常数的各向同性介质、各向异性介质或异向介质构成。规则圆波导的尺寸可调，分层介质的层数、位置、各层介质的介电常数或有效介电常数、尺寸及渐变方式均可调。该变换器根据圆波导内各层介质间的模式耦合来实现特定方式的模式变换，具有结构简单、体积小、输入输出共轴、转换效率高、转换频带宽、功率容量大等优点，应用于微波辐射系统可以极大的提高辐射系统的紧凑性。
【专利说明】基于分层介质的宽频带模式变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高功率的宽频带模式变换器，尤其涉及一种填充不同形式的分层介质实现特定模式变换的微波模式变换器，属于微波传输及微波天线【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，非均匀介质填充波导在微波与毫米波技术中得到了许多重要应用。分层介质是非均匀介质中研究的最深和最为重要的一种应用形式，按照分层方式可分为平面分层介质和柱面分层介质。其中，柱面分层介质又根据径向分层和角向分层不同，分为环形分层介质和扇形分层介质。波导中填充低损耗、耐高温的分层介质具有设计简单、加工容易、成本低等特点且电磁波在填充分层介质的波导中传播时，除本身要满足麦克斯韦波动方程和金属边界条件外，还要满足各层介质界面的连续条件，因此波导中的一些电磁模式之间就会产生一定的耦合，这种填充分层介质的波导可以应用于一些重要的高功率微波器件如模式变换器的设计中，从而提高器件的性能，应用巨大。
[0003]目前，回旋管及高功率微波源外接的波导模式变换器要完成一系列的模式变换，其中比较重要的两类变换是11。1 (1^01) -了^模式变换和模式变换。国内外关于模式变换的报道较多，但大都是采用弯曲波导或插板移相方式来实现，这两种结构的变换器尺寸及复杂度较大；关于模式变换的报道极少，传统的是采用表面阻抗渐变的纹波波导来实现，此类变换器虽然结构紧凑、转换效率较高，但在高功率下其齿间容易打火且随着频率的增高，槽区的宽度变窄，不易加工。
[0004]模式耦合理论指出，当波导结构存在不均匀性时，其中将产生模式之间的耦合。波导中的不均匀性包括波导轴线的弯曲、截面半径的变化、填充介质的不均匀性等。论文“9丨46！！2过模光滑壁呢匸-册。模式变换器设计”(强激光与粒子束，2013年第25卷第2期，1)394)和论文“X波段过模弯曲圆波导风厂册。模式变换器研究”(物理学报，2013年第62卷第7期，？07840 0分别提出采用波导半径渐变和波导轴向弯曲的方法来获得册卩模式。以上两种方法均是根据模式耦合理论，通过改变波导金属结构来实现圆波导内电磁模式径向和角向角标的改变从而获得册卩模式，这种新方法解决了纹波波导存在的一些不足，但是它们同样存在结构不规则，尺寸较大等问题。进一步有，中国工程物理研究院的简荣华等人在圆锥喇叭中加载双层介质实现了册卩模式的传播与定向辐射，与传统的纹波喇叭相比效果较优。
[0005]基于上述理论基础，本发明在不改变波导金属结构的前提下，采用在规则波导中按照不同方式填充分层介质来改变电磁模式的径向及角向角标来实现特定的模式变换，可实现小型化、高效率、高功率和大带宽的模式变换器，具有极大的应用前景。
【发明内容】
[0006]为了克服现有波导模式变换器的尺寸过大、结构复杂、带宽较低、成本过高等问题，本发明提供一种基于分层介质的宽频带模式变换器，该变换器结构简单、尺寸小、转换效率高、带宽大，功率容量高、输入输出共轴，用于微波辐射系统中可大大提高辐射系统的紧凑性。
[0007]本发明的技术方案:利用现有的介质加工工艺技术把低损耗、耐高温分层介质填充在规则的圆波导内，分层介质是沿其轴向渐变的径向分层介质、角向分层介质或径向和角向都分层介质，各层介质由不同介电常数或有效介电常数的各向同性介质、各向异性介质或异向介质构成。通过调整圆波导的尺寸、圆波导中分层介质的层数、位置、各层介质的介电常数或有效介电常数、尺寸及渐变方式来调节模式变换器的工作频率、工作带宽、反射、功率容量及长度等特性。
[0008]本发明通过在圆波导内填充不同分层方式的低损耗、耐高温分层介质，提出了几种不同模式变换的设计方法。
[0009]本发明的有益效果:(1)模式变换器的结构简单、输入输出共轴，应用于微波辐射系统中可以大大提高辐射系统的紧凑性；(2)可以通过调整低损耗、耐高温分层介质的层数、介电常数或有效介电常数等特性来扩大模式转换效率及带宽，提高功率容量；(3 )模式变换器轮廓及内部不包括复杂的金属结构，容易加工、成本较低；(4)根据填充介质的分层方式不同，可以实现不同模式之间的耦合变换，应用前景广阔。
[0010]
【专利附图】
【附图说明】
图1是实施例1提供的一种模式变换器结构剖视图；
图2是实施例1提供的一种(11^)-册。模式变换器横截面视图；
图3是实施例2提供的一种11。1 (1^) -1&模式变换器结构正视图；
图4是实施例3提供的一种11。1 (1^) 模式变换器结构正视图；
图中，1是规则圆波导，2是低损耗、耐高温微波介质I，3是低损耗、耐高温微波介质II，4是低损耗、耐高温微波介质III，所有附图中介质的层数、位置、形状及尺寸不代表实际情况。
[0011]
【具体实施方式】
下面结合说明书附图对本发明的结构及工作原理做进一步说明，说明书附图是本发明的几个实施例。
[0012]本发明的模式变换器由规则圆波导1及填充在其内部的微波单层介质1、11、111组成。其中，圆波导一般采用传导率高、损耗低的不锈钢、铜或铝；微波单层介质1、11、111为低损耗、耐高温、易成型、价格低的聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷材料或者新型复合异向材料坐寸。
[0013]实施例1，丁匕(11^)-册。模式变换器:见说明书附图1和说明书附图2。附图1是剖视图，附图2是横截面视图，圆波导内填充的分层介质为径向分层介质。介质I是填充在圆波导内紧贴圆波导内壁的外层介质，一般为均匀空心圆柱介质，其半径等于圆波导的内部半径?3，长度为2 I，介质径向厚度为七I (^)；介质II为内嵌在介质I中的内层介质，其半径为长度为2 II。其中，6 I (^)和/'工工(^)为圆波导内微波传输轴向距离^的函数，(丨(^)和/'2 (^)是线性函数或者非线性函数且满足丨(2) + “2、:3。微波在圆波导内传播时，由于传输方向上介质的不均匀，微波模式之间要发生耦合，圆波导内沿轴向渐变的径向分层介质导致微波传输模式径向角标改变，1、模式或模式可以耦合出模式与模式，当圆波导内介质1、介质II满足一定的组成时，馈入圆波导的12。(11^)模式就可以在圆波导末端变换成高纯度的册卩模式。
[0014]为了提高模式变换器的转换效率、转换带宽及模式变换器的功率容量，减小模式变换器的尺寸及反射，需不断的调整圆波导的半径3、介质I的介电常数或有效介电常数及长度2丨、介质II的介电常数或有效介电常数及长度2 2，以及不断优化介质I的厚度。00和介质II的半径^卩00的函数曲线，以及增加分层介质的层数等，至于上述参量及介质层数的选择要根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件分析得到，或者用电磁场数值计算和仿真，或者由实验来确定。以上分析要包括各层介质的加工工艺在交界处的影响。
[0015]实施例2，1101 (1^) -12。模式变换器:见说明书附图3。附图3是正视图，圆波导内填充的分层介质为角向分层介质。介质I是填充在圆波导内紧贴圆波导内壁的扇形介质，其半径为?3，长度为2丨，圆心角为0 I匕);介质II是填充在圆波导内紧贴圆波导内壁的扇形介质，其半径为?3，长度为2 2，圆心角为0。(^)。其中，圆心角0丨匕)和0为圆波导内微波传输轴向距离^的函数，9 ^00和9 2 00是线性函数或者非线性函数且满足:0 ^ (^) + 0微波在圆波导内传播时，由于传输方向上介质的不均勻，微波模式之间要发生耦合，圆波导内沿轴向渐变的角向分层介质导致微波传输模式角向角标改变，1?模式或1‘模式可以耦合出模式，当圆波导内介质1、介质II满足一定的组成时，馈入圆波导的(1^01)模式就可以在圆波导末端变换成高纯度的呢。模式。
[0016]为了提高模式变换器的转换效率、转换带宽及模式变换器的功率容量，减小模式变换器的尺寸及反射，需不断的调整圆波导的半径3、介质I的介电常数或有效介电常数及长度2丨、介质II的介电常数或有效介电常数及长度I 0，以及不断优化介质1、II的圆心角0 100和0 2 00的函数曲线，以及增加分层介质的层数等，至于上述参量及介质层数的选择要根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件分析得到，或者用电磁场数值计算和仿真，或者由实验来确定。以上分析要包括各层介质的加工工艺在交界处的影响。
[0017]实施例3，1101 (1^)-册。模式变换器:见说明书附图4。附图4是正视图，圆波导内填充的分层介质为径向和角向都分层介质。实施例3是实施例1和实施例2的组合，有别于实施例1，实施例3中介质II不再是单一的半径渐变介质，而是变成实施例2中角向分层的介质II和介质III，然后填充在介质I中，构成径向和角向都分层的介质。实施例3中介质的径向和角向的分层及沿轴向渐变的方式与实施例1和2描述的相同。微波在圆波导内传播时，由于传输方向上介质的不均匀，微波模式之间要发生耦合，圆波导内沿轴向渐变的径向分层及角向分层介质导致微波传输模式径向和角向角标改变，11^模式或12“模式可以I禹合出册。，当圆波导内介质1、介质II以及介质III满足一定的组成时，馈入圆波导的丁1。1 (1^)模式就可以在圆波导末端变换成高纯度的册。模式。
[0018]和实施例1、2的优化过程相同，需要不断的调整模式变换器的结构参量以达到最佳性能。
【权利要求】
1.基于分层介质的宽频带模式变换器，其特征在于包括规则圆波导和低损耗、耐高温分层介质，所述规则圆波导为圆筒形，所述低损耗、耐高温分层介质是填充在圆波导内沿其轴向渐变的径向分层介质、角向分层介质或径向和角向都分层介质，各层介质由不同介电常数或有效介电常数的各向同性介质、各向异性介质或异向介质构成。
2.根据权利要求1所述的模式变换器，其特征在于填充的低损耗、耐高温分层介质为圆波导内沿其轴向渐变的径向分层介质，用于实现TE11-HE11模式变换和TM11-HE11模式变换。
3.根据权利要求1所述的模式变换器，其特征在于填充的低损耗、耐高温分层介质为圆波导内沿其轴向渐变的角向分层介质，用于实现TMtll-TE11模式变换和TEtll-TE11模式变换。
4.根据权利要求1所述的模式变换器，其特征在于填充的低损耗、耐高温分层介质为圆波导内沿其轴向渐变的径向和角向都分层介质，用于实现TMtll-HE11模式变换和TEtll-HE11模式变换。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的模式变换器，其特征在于填充的低损耗、耐高温分层介质的层数、各层介质的介电常数或有效介电常数、尺寸及渐变方式均可调。
6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的模式变换器，其特征在于规则圆波导的尺寸可调，各层介质在规则圆波导中的位置可调。
7.根据权利要求2、3、4所述的各种组合实现其它模式变换的模式变换器。
【文档编号】H01P5/16GK104466334SQ201410705897
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】张信歌, 李少甫, 孙洪卫 申请人:西南科技大学