基于分層介質(zhì)的寬頻帶模式變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于分層介質(zhì)的寬頻帶模式變換器，它包括規(guī)則圓波導和低損耗、耐高溫分層介質(zhì)。所述規(guī)則圓波導為圓筒形，所述低損耗、耐高溫分層介質(zhì)是填充在圓波導內(nèi)沿其軸向漸變的徑向分層介質(zhì)、角向分層介質(zhì)或徑向和角向都分層介質(zhì)，各層介質(zhì)由不同介電常數(shù)或有效介電常數(shù)的各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)或異向介質(zhì)構(gòu)成。規(guī)則圓波導的尺寸可調(diào)，分層介質(zhì)的層數(shù)、位置、各層介質(zhì)的介電常數(shù)或有效介電常數(shù)、尺寸及漸變方式均可調(diào)。該變換器根據(jù)圓波導內(nèi)各層介質(zhì)間的模式耦合來實現(xiàn)特定方式的模式變換，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸入輸出共軸、轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)換頻帶寬、功率容量大等優(yōu)點，應用于微波輻射系統(tǒng)可以極大的提高輻射系統(tǒng)的緊湊性。
【專利說明】基于分層介質(zhì)的寬頻帶模式變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高功率的寬頻帶模式變換器，尤其涉及一種填充不同形式的分層介質(zhì)實現(xiàn)特定模式變換的微波模式變換器，屬于微波傳輸及微波天線【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，非均勻介質(zhì)填充波導在微波與毫米波技術(shù)中得到了許多重要應用。分層介質(zhì)是非均勻介質(zhì)中研究的最深和最為重要的一種應用形式，按照分層方式可分為平面分層介質(zhì)和柱面分層介質(zhì)。其中，柱面分層介質(zhì)又根據(jù)徑向分層和角向分層不同，分為環(huán)形分層介質(zhì)和扇形分層介質(zhì)。波導中填充低損耗、耐高溫的分層介質(zhì)具有設(shè)計簡單、加工容易、成本低等特點且電磁波在填充分層介質(zhì)的波導中傳播時，除本身要滿足麥克斯韋波動方程和金屬邊界條件外，還要滿足各層介質(zhì)界面的連續(xù)條件，因此波導中的一些電磁模式之間就會產(chǎn)生一定的耦合，這種填充分層介質(zhì)的波導可以應用于一些重要的高功率微波器件如模式變換器的設(shè)計中，從而提高器件的性能，應用巨大。
[0003]目前，回旋管及高功率微波源外接的波導模式變換器要完成一系列的模式變換，其中比較重要的兩類變換是11。1 (1^01) -了^模式變換和模式變換。國內(nèi)外關(guān)于模式變換的報道較多，但大都是采用彎曲波導或插板移相方式來實現(xiàn)，這兩種結(jié)構(gòu)的變換器尺寸及復雜度較大；關(guān)于模式變換的報道極少，傳統(tǒng)的是采用表面阻抗?jié)u變的紋波波導來實現(xiàn)，此類變換器雖然結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率較高，但在高功率下其齒間容易打火且隨著頻率的增高，槽區(qū)的寬度變窄，不易加工。
[0004]模式耦合理論指出，當波導結(jié)構(gòu)存在不均勻性時，其中將產(chǎn)生模式之間的耦合。波導中的不均勻性包括波導軸線的彎曲、截面半徑的變化、填充介質(zhì)的不均勻性等。論文“9丨46??！2過模光滑壁呢匸-冊。模式變換器設(shè)計”(強激光與粒子束，2013年第25卷第2期，1)394)和論文“X波段過模彎曲圓波導風廠冊。模式變換器研究”(物理學報，2013年第62卷第7期，？07840 0分別提出采用波導半徑漸變和波導軸向彎曲的方法來獲得冊卩模式。以上兩種方法均是根據(jù)模式耦合理論，通過改變波導金屬結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)圓波導內(nèi)電磁模式徑向和角向角標的改變從而獲得冊卩模式，這種新方法解決了紋波波導存在的一些不足，但是它們同樣存在結(jié)構(gòu)不規(guī)則，尺寸較大等問題。進一步有，中國工程物理研究院的簡榮華等人在圓錐喇叭中加載雙層介質(zhì)實現(xiàn)了冊卩模式的傳播與定向輻射，與傳統(tǒng)的紋波喇叭相比效果較優(yōu)。
[0005]基于上述理論基礎(chǔ)，本發(fā)明在不改變波導金屬結(jié)構(gòu)的前提下，采用在規(guī)則波導中按照不同方式填充分層介質(zhì)來改變電磁模式的徑向及角向角標來實現(xiàn)特定的模式變換，可實現(xiàn)小型化、高效率、高功率和大帶寬的模式變換器，具有極大的應用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有波導模式變換器的尺寸過大、結(jié)構(gòu)復雜、帶寬較低、成本過高等問題，本發(fā)明提供一種基于分層介質(zhì)的寬頻帶模式變換器，該變換器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、轉(zhuǎn)換效率高、帶寬大，功率容量高、輸入輸出共軸，用于微波輻射系統(tǒng)中可大大提高輻射系統(tǒng)的緊湊性。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:利用現(xiàn)有的介質(zhì)加工工藝技術(shù)把低損耗、耐高溫分層介質(zhì)填充在規(guī)則的圓波導內(nèi)，分層介質(zhì)是沿其軸向漸變的徑向分層介質(zhì)、角向分層介質(zhì)或徑向和角向都分層介質(zhì)，各層介質(zhì)由不同介電常數(shù)或有效介電常數(shù)的各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)或異向介質(zhì)構(gòu)成。通過調(diào)整圓波導的尺寸、圓波導中分層介質(zhì)的層數(shù)、位置、各層介質(zhì)的介電常數(shù)或有效介電常數(shù)、尺寸及漸變方式來調(diào)節(jié)模式變換器的工作頻率、工作帶寬、反射、功率容量及長度等特性。
[0008]本發(fā)明通過在圓波導內(nèi)填充不同分層方式的低損耗、耐高溫分層介質(zhì)，提出了幾種不同模式變換的設(shè)計方法。
[0009]本發(fā)明的有益效果:(1)模式變換器的結(jié)構(gòu)簡單、輸入輸出共軸，應用于微波輻射系統(tǒng)中可以大大提高輻射系統(tǒng)的緊湊性；(2)可以通過調(diào)整低損耗、耐高溫分層介質(zhì)的層數(shù)、介電常數(shù)或有效介電常數(shù)等特性來擴大模式轉(zhuǎn)換效率及帶寬，提高功率容量；(3 )模式變換器輪廓及內(nèi)部不包括復雜的金屬結(jié)構(gòu)，容易加工、成本較低；(4)根據(jù)填充介質(zhì)的分層方式不同，可以實現(xiàn)不同模式之間的耦合變換，應用前景廣闊。
[0010]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是實施例1提供的一種模式變換器結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖2是實施例1提供的一種(11^)-冊。模式變換器橫截面視圖；
圖3是實施例2提供的一種11。1 (1^) -1&模式變換器結(jié)構(gòu)正視圖；
圖4是實施例3提供的一種11。1 (1^) 模式變換器結(jié)構(gòu)正視圖；
圖中，1是規(guī)則圓波導，2是低損耗、耐高溫微波介質(zhì)I，3是低損耗、耐高溫微波介質(zhì)II，4是低損耗、耐高溫微波介質(zhì)III，所有附圖中介質(zhì)的層數(shù)、位置、形狀及尺寸不代表實際情況。
[0011]

【具體實施方式】
下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理做進一步說明，說明書附圖是本發(fā)明的幾個實施例。
[0012]本發(fā)明的模式變換器由規(guī)則圓波導1及填充在其內(nèi)部的微波單層介質(zhì)1、11、111組成。其中，圓波導一般采用傳導率高、損耗低的不銹鋼、銅或鋁；微波單層介質(zhì)1、11、111為低損耗、耐高溫、易成型、價格低的聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷材料或者新型復合異向材料坐寸。
[0013]實施例1，丁匕(11^)-冊。模式變換器:見說明書附圖1和說明書附圖2。附圖1是剖視圖，附圖2是橫截面視圖，圓波導內(nèi)填充的分層介質(zhì)為徑向分層介質(zhì)。介質(zhì)I是填充在圓波導內(nèi)緊貼圓波導內(nèi)壁的外層介質(zhì)，一般為均勻空心圓柱介質(zhì)，其半徑等于圓波導的內(nèi)部半徑?3，長度為2 I，介質(zhì)徑向厚度為七I (^)；介質(zhì)II為內(nèi)嵌在介質(zhì)I中的內(nèi)層介質(zhì)，其半徑為長度為2 II。其中，6 I (^)和/'工工(^)為圓波導內(nèi)微波傳輸軸向距離^的函數(shù)，(丨(^)和/'2 (^)是線性函數(shù)或者非線性函數(shù)且滿足丨(2) + “2、:3。微波在圓波導內(nèi)傳播時，由于傳輸方向上介質(zhì)的不均勻，微波模式之間要發(fā)生耦合，圓波導內(nèi)沿軸向漸變的徑向分層介質(zhì)導致微波傳輸模式徑向角標改變，1、模式或模式可以耦合出模式與模式，當圓波導內(nèi)介質(zhì)1、介質(zhì)II滿足一定的組成時，饋入圓波導的12。(11^)模式就可以在圓波導末端變換成高純度的冊卩模式。
[0014]為了提高模式變換器的轉(zhuǎn)換效率、轉(zhuǎn)換帶寬及模式變換器的功率容量，減小模式變換器的尺寸及反射，需不斷的調(diào)整圓波導的半徑3、介質(zhì)I的介電常數(shù)或有效介電常數(shù)及長度2丨、介質(zhì)II的介電常數(shù)或有效介電常數(shù)及長度2 2，以及不斷優(yōu)化介質(zhì)I的厚度。00和介質(zhì)II的半徑^卩00的函數(shù)曲線，以及增加分層介質(zhì)的層數(shù)等，至于上述參量及介質(zhì)層數(shù)的選擇要根據(jù)電磁場的麥克斯韋方程和邊界條件分析得到，或者用電磁場數(shù)值計算和仿真，或者由實驗來確定。以上分析要包括各層介質(zhì)的加工工藝在交界處的影響。
[0015]實施例2，1101 (1^) -12。模式變換器:見說明書附圖3。附圖3是正視圖，圓波導內(nèi)填充的分層介質(zhì)為角向分層介質(zhì)。介質(zhì)I是填充在圓波導內(nèi)緊貼圓波導內(nèi)壁的扇形介質(zhì)，其半徑為?3，長度為2丨，圓心角為0 I匕);介質(zhì)II是填充在圓波導內(nèi)緊貼圓波導內(nèi)壁的扇形介質(zhì)，其半徑為?3，長度為2 2，圓心角為0。(^)。其中，圓心角0丨匕)和0為圓波導內(nèi)微波傳輸軸向距離^的函數(shù)，9 ^00和9 2 00是線性函數(shù)或者非線性函數(shù)且滿足:0 ^ (^) + 0微波在圓波導內(nèi)傳播時，由于傳輸方向上介質(zhì)的不均勻，微波模式之間要發(fā)生耦合，圓波導內(nèi)沿軸向漸變的角向分層介質(zhì)導致微波傳輸模式角向角標改變，1?模式或1‘模式可以耦合出模式，當圓波導內(nèi)介質(zhì)1、介質(zhì)II滿足一定的組成時，饋入圓波導的(1^01)模式就可以在圓波導末端變換成高純度的呢。模式。
[0016]為了提高模式變換器的轉(zhuǎn)換效率、轉(zhuǎn)換帶寬及模式變換器的功率容量，減小模式變換器的尺寸及反射，需不斷的調(diào)整圓波導的半徑3、介質(zhì)I的介電常數(shù)或有效介電常數(shù)及長度2丨、介質(zhì)II的介電常數(shù)或有效介電常數(shù)及長度I 0，以及不斷優(yōu)化介質(zhì)1、II的圓心角0 100和0 2 00的函數(shù)曲線，以及增加分層介質(zhì)的層數(shù)等，至于上述參量及介質(zhì)層數(shù)的選擇要根據(jù)電磁場的麥克斯韋方程和邊界條件分析得到，或者用電磁場數(shù)值計算和仿真，或者由實驗來確定。以上分析要包括各層介質(zhì)的加工工藝在交界處的影響。
[0017]實施例3，1101 (1^)-冊。模式變換器:見說明書附圖4。附圖4是正視圖，圓波導內(nèi)填充的分層介質(zhì)為徑向和角向都分層介質(zhì)。實施例3是實施例1和實施例2的組合，有別于實施例1，實施例3中介質(zhì)II不再是單一的半徑漸變介質(zhì)，而是變成實施例2中角向分層的介質(zhì)II和介質(zhì)III，然后填充在介質(zhì)I中，構(gòu)成徑向和角向都分層的介質(zhì)。實施例3中介質(zhì)的徑向和角向的分層及沿軸向漸變的方式與實施例1和2描述的相同。微波在圓波導內(nèi)傳播時，由于傳輸方向上介質(zhì)的不均勻，微波模式之間要發(fā)生耦合，圓波導內(nèi)沿軸向漸變的徑向分層及角向分層介質(zhì)導致微波傳輸模式徑向和角向角標改變，11^模式或12“模式可以I禹合出冊。，當圓波導內(nèi)介質(zhì)1、介質(zhì)II以及介質(zhì)III滿足一定的組成時，饋入圓波導的丁1。1 (1^)模式就可以在圓波導末端變換成高純度的冊。模式。
[0018]和實施例1、2的優(yōu)化過程相同，需要不斷的調(diào)整模式變換器的結(jié)構(gòu)參量以達到最佳性能。
【權(quán)利要求】
1.基于分層介質(zhì)的寬頻帶模式變換器，其特征在于包括規(guī)則圓波導和低損耗、耐高溫分層介質(zhì)，所述規(guī)則圓波導為圓筒形，所述低損耗、耐高溫分層介質(zhì)是填充在圓波導內(nèi)沿其軸向漸變的徑向分層介質(zhì)、角向分層介質(zhì)或徑向和角向都分層介質(zhì)，各層介質(zhì)由不同介電常數(shù)或有效介電常數(shù)的各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)或異向介質(zhì)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模式變換器，其特征在于填充的低損耗、耐高溫分層介質(zhì)為圓波導內(nèi)沿其軸向漸變的徑向分層介質(zhì)，用于實現(xiàn)TE11-HE11模式變換和TM11-HE11模式變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模式變換器，其特征在于填充的低損耗、耐高溫分層介質(zhì)為圓波導內(nèi)沿其軸向漸變的角向分層介質(zhì)，用于實現(xiàn)TMtll-TE11模式變換和TEtll-TE11模式變換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模式變換器，其特征在于填充的低損耗、耐高溫分層介質(zhì)為圓波導內(nèi)沿其軸向漸變的徑向和角向都分層介質(zhì)，用于實現(xiàn)TMtll-HE11模式變換和TEtll-HE11模式變換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述的模式變換器，其特征在于填充的低損耗、耐高溫分層介質(zhì)的層數(shù)、各層介質(zhì)的介電常數(shù)或有效介電常數(shù)、尺寸及漸變方式均可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5所述的模式變換器，其特征在于規(guī)則圓波導的尺寸可調(diào)，各層介質(zhì)在規(guī)則圓波導中的位置可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4所述的各種組合實現(xiàn)其它模式變換的模式變換器。
【文檔編號】H01P5/16GK104466334SQ201410705897
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】張信歌, 李少甫, 孫洪衛(wèi) 申請人:西南科技大學