本發(fā)明屬于高功率微波模式轉換器技術領域，具體涉及一種高功率微波可控多頻介電介質移相型模式轉換器。

背景技術：

多數(shù)高功率微波源具有旋轉對稱結構，它們產生的模式多是旋轉軸對稱模式。常見高功率微波源，例如磁絕緣線振蕩器、渡越時間振蕩器、相對論返波管、相對論速調管的輸出都是軸對稱tem模式或tm01模式。這些模式的橫向電場呈軸對稱分布，從而導致其遠場軸向輻射為零，即所謂空心波束，該類微波模式不利于高功率微波的定向傳輸與發(fā)射。為了實現(xiàn)定向輻射，通常要將圓波導tm01?；蛲Stem模變換為圓波導te11模以獲得軸向增益。當前被采用的高功率微波模式變換器基本有以下兩種：彎曲型變換方式和移相型變換方式。彎曲型變換方式中比較有代表性的模式變換器為雙曲型波導模式變換器。移相型變換方式主要包括同軸插板式模式變換器、徑向線型模式變換器及介電介質移相器。

對于波導傳輸多頻狀態(tài)下tm01或tem模式的高功率微波，由于多數(shù)模式轉換器具有選頻特性(窄頻)，且結構特點決定某些轉換器(雙曲型、徑向線型模式轉換器)無法改變結構參數(shù)，或某些轉換器(同軸插板式模式轉換器)結構變換較大，無法實現(xiàn)跨頻段多頻點高功率微波模式轉換。

從tem模式和te11模式的場結構可知，將tem模式橫截面一半部分的電場反向即可獲得與te11近似的場分布。因此，考慮將tem模傳輸波導分割為角度為180度的兩部分，再分別對兩部分施以不同相移，使其產生180度相移即可實現(xiàn)模式變換。對于同軸波導進行多頻模式轉換，從軸向長度及可操控性來考慮，介電介質移相模式轉換是一個可行的選擇。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種高功率微波可控多頻介電介質移相型模式轉換器，解決了對于波導傳輸多頻狀態(tài)下tm01或tem模式的高功率微波，由于多數(shù)模式轉換器具有選頻特性(窄頻)，且結構特點決定某些轉換器(雙曲型、徑向線型模式轉換器)無法改變結構參數(shù)，或某些轉換器(同軸插板式模式轉換器)結構變換較大，無法實現(xiàn)跨頻段多頻點高功率微波模式轉換問題，通過同軸圓波導內的金屬平板將同軸圓波導分為兩個部分，一半為真空，另一半填充有介電介質，tem模式微波在介電介質及真空內的相速度不一致，經(jīng)過一定長度l的傳播，tem模式微波在兩個填充不同介質的180度扇形波導內產生180度相移，當介電介質長度滿足(β1-β2)·l＝π(β1為180度扇形真空波導內的微波相速度，β2為180度扇形填充介電介質波導內的微波相速度，l為介電介質長度)時，可實頻率為f的微波由tem模式轉換為te11模式。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案實現(xiàn)：一種高功率微波可控多頻介電介質移相型模式轉換器，包括同軸圓波導、在同軸圓波導內沿同軸圓波導軸線方向設置將同軸圓波導均分為兩部分的金屬平板，所述其中一半波導填充有不同長度段的介電介質，另一半波導為真空，頻率為f的微波在兩半波導內經(jīng)過長度l的傳播后，產生180度相移，實現(xiàn)頻率為f的微波由tem模式轉換為te11模式，若頻率f1的微波由tem模式轉換為te11模式需要的介電介質長度為l1，頻率f2的微波由tem模式轉換為te11模式需要的介電介質長度為l2，其中頻率f1的數(shù)值小于頻率f2的數(shù)值，則將總長為l1中長度為(l1-l2)/2的介電介質旋轉180度轉移至另一半波導，其與剩余長度為l2+(l1-l2)/2介電介質組合實現(xiàn)頻率f2的微波由tem模式轉換為te11模式。

進一步地，若頻率f1由tem模式轉換為te11模式需要的介電介質長度為l1，頻率f2由tem模式轉換為te11模式需要的介電介質長度為l2，頻率f3由tem模式轉換為te11模式需要的介電介質長度為l3，頻率fn由tem模式轉換為te11模式需要的介電介質長度為ln，其中頻率的數(shù)值關系為：f1＜f2＜……＜fn，對應的介電介質長度關系為：l1＞l2＞……＞ln，則可將長度為l1的介電介質按照長度(l1-l2)/2、(l1-l3)/2-(l1-l2)/2、……、ln+(l1-ln)/2進行分割，在同軸圓波導內最小頻率f1由tem模式轉換為te11模式對應介電介質長度為l1基礎上，任意頻率fn由tem模式轉換為te11模式時，經(jīng)過旋轉180度轉移至另一半波導的介電介質長度為(l1-ln)/2。

進一步地，在頻率f1由tem模式轉換為te11模式需要介電介質長度為l1基礎上，將長度為(l1-l2)/2的介電介質旋轉180度轉移至另一半波導，其與剩余介電介質組合可實現(xiàn)頻率f2由tem模式轉換為te11模式；在長度為(l1-l2)/2的介電介質旋轉180度轉移至另一半波導的基礎上，在未旋轉的介電介質中將長度為(l1-l3)/2-(l1-l2)/2的介電介質旋轉180度至另一半波導，另一半波導中介電介質總長度為(l1-l3)/2，其與剩余介電介質組合可實現(xiàn)頻率f3由tem模式轉換為te11模式；剩余介電介質長度為ln+(l1-ln)/2時，其與經(jīng)過180度旋轉至另一半波導的其余部分介電介質組合可實現(xiàn)頻率fn由tem模式轉換為te11模式。

進一步地，所述金屬平板的軸向長度按照介電介質的長度進行相應切割，所述一段金屬平板對應一段介電介質，且所述每段介電介質均固定在各自對應長度的金屬平板上。

進一步地，所述各段金屬平板均可獨立繞同軸內導體進行旋轉。

進一步地，同軸圓波導外設置有調節(jié)結構，所述各段金屬平板通過調節(jié)機構實現(xiàn)可控180度旋轉。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明利用同軸圓波導內一金屬板將同軸圓波導平分為兩部分，其中一部分填充有多段不同長度的介電介質，另一部分為真空，tem模式微波在介電介質及真空內的相速度不一致，經(jīng)過一定長度l的傳播，tem模式微波在兩個填充不同介質的180度扇形波導內產生180度相移，頻率為f的微波由tem模式轉換為te11模式。

每段介電介質固定在各自對應長度的金屬板上，在同軸圓波導內最小頻率f1由tem模式轉換為te11模式對應介電介質長度為l1基礎上，任意頻率fn由tem模式轉換為te11模式時，通過設置在同軸圓波導外的調節(jié)機構，將長度為(l1-ln)/2的介電介質旋轉180度轉移至另一段波導來實現(xiàn)。

通過介電介質移相模式轉換器整體和部分可控處理的設計方法，實現(xiàn)了多頻點依據(jù)低頻至高頻的順序由tem模式至te11模式的轉換。該模式轉換方法結構簡單、緊湊、易操控，且易于和圓錐喇叭天線集成，獲得高功率微波軸向增益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的可控多頻(跨頻段四頻點)介電介質移相型模式轉換器整體結構示意圖。

圖2為頻率為f1的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖。

圖3為頻率為f2的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖。

圖4為頻率為f3的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖。

圖5為頻率為f4的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖。

其中：1、金屬圓波導，2、金屬圓波導同軸內導體，3、長度為l′的介電介質，4、長度為l″的介電介質，5、長度為l″′的介電介質，6、長度為l″″的介電介質，7、金屬平板，8、真空腔。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種高功率微波可控多頻介電介質移相型模式轉換器，包括同軸圓波導，該同軸圓波導包括金屬圓波導、沿金屬圓波導軸心設置的同軸內導體。金屬平板在同軸圓波導內沿軸線方向設置并將同軸圓波導平分為180扇形兩部分，作用是將同軸圓波導內傳輸?shù)膖em模式微波均分為兩部分，一部分在填充有多段不同長度的介電介質中傳播，另一部分仍然繼續(xù)在真空腔中傳播，介電介質為半圓形結構。金屬平板可以采用金屬薄片，金屬平板的在軸向上的長度按照每段介電介質的長度進行相應切割，即一段金屬平板與一段介電介質一一對應。金屬平板套嵌在同軸內導體上，每段介電介質固定在各自對應長度的金屬平板上，各段金屬平板通過相應的調節(jié)機構實現(xiàn)可控180度旋轉，調節(jié)機構設置在同軸圓波導外部。旋轉金屬平板帶動與其固定連接的介電介質旋轉，每段介電介質均可繞軸線方向旋轉180度轉移至另一半波導。

tem模式微波在在介電介質及真空內的相速度不一致，經(jīng)過一定長度l的傳播，tem模式微波在兩個填充不同介質的180度扇形內產生180度相移，當介電介質長度滿足(β1-β2)·l＝π(β1為180度扇形真空波導內的微波相速度，β2為180度扇形填充介電介質波導內的微波相速度，l為介電介質長度)時，可實現(xiàn)頻率為f的微波由tem模式轉換為te11模式。

同軸圓波導內若頻率f1由tem模式轉換為te11模式需要的半圓柱形介電介質長度為l1，暨頻率為f1的tem模式微波經(jīng)過距離l1的傳播，分別在介電介質內及真空中傳播的兩部分產生了180度的相位差；f2由tem模式轉換為te11模式需要的半圓柱形介電介質長度為l2，暨頻率為f2的tem模式微波經(jīng)過距離l2的傳播，分別在介電介質內及真空中傳播的兩部分產生了180度的相位差，其中頻率f1的數(shù)值小于頻率f2的數(shù)值。則將長度為(l1-l2)/2的半圓柱形介電介質旋轉180度轉移至另一半波導，其與剩余長度為l2+(l1-l2)/2介電介質組合的模式轉換效果與長度為l2的模式轉換效果一致。暨同軸圓波導中兩個180度扇形內頻率為f2的tem模式微波在長度為(l1-l2)/2介電介質傳播產生的相位差相互抵消，實質仍為頻率為f2的tem模式微波經(jīng)過距離l2的傳播，分別在介電介質內及真空中傳播的兩部分產生了180度的相位差。暨通過介電介質移相模式轉換器整體和部分可控處理的設計方法，實現(xiàn)了多頻點依據(jù)低頻至高頻的順序由tem模式至te11模式的可控轉換。

同軸圓波導內若頻率f1由tem模式轉換為te11模式需要的半圓柱形介電介質長度為l1，頻率f2由tem模式轉換為te11模式需要的半圓柱形介電介質長度為l2，頻率f3由tem模式轉換為te11模式需要的半圓柱形介電介質長度為l3，頻率fn由tem模式轉換為te11模式需要的半圓柱形介電介質長度為ln。其中頻率的數(shù)值關系為：f1＜f2＜……＜fn，對應的半圓形介電介質長度關系為：l1＞l2＞……＞ln。則可將長度為l1的半圓柱形介電介質按照長度(l1-l2)/2、(l1-l3)/2-(l1-l2)/2、……、ln+(l1-ln)/2進行分割。暨在同軸圓波導內最小頻率f1由tem模式轉換為te11模式對應介電介質長度為l1基礎上，任意頻率fn由tem模式轉換為te11模式時，需確保經(jīng)180度旋轉轉移至另一半波導的介電介質長度為(l1-ln)/2。

在頻率f1由tem模式轉換為te11模式需要半圓柱形介電介質長度為l1基礎上，將長度為(l1-l2)/2的半圓柱形介電介質旋轉180度轉移至另一半波導，其與剩余介電介質組合可實現(xiàn)頻率f2由tem模式轉換為te11模式；在長度為(l1-l2)/2的半圓柱形介電介質旋轉180度轉移至另一半波導的基礎上，將長度為(l1-l3)/2-(l1-l2)/2的半圓柱形介電介質旋轉180度轉移至另一半波導，暨另一半波導中半圓柱形介電介質總長度為(l1-l3)/2，其與剩余介電介質組合可實現(xiàn)頻率f3由tem模式轉換為te11模式；剩余介電介質長度為ln+(l1-ln)/2時，其與經(jīng)過180度旋轉至另一半波導的其余部分介電介質組合可實現(xiàn)頻率fn由tem模式轉換為te11模式。

以下結合具體實例來說明可控多頻介電介質移相型模式轉換器的實施過程。

如圖2所示頻率為f1的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖，假定頻率為f1的tem模式高功率微波在真空同軸波導中傳播，然后經(jīng)一均分波導的金屬薄片，頻率為f1的tem模式高功率微波一半在介質中傳輸，另外一半繼續(xù)在真空中傳輸，由于微波在介質及真空中傳播的相速不同，經(jīng)過距離l1，分別在介質及真空中傳輸?shù)膖em模式高功率微波產生180度相位差，則頻率為f1的tem模式高功率微波在模式轉換器輸出端口轉換為te11模式。假定在圖1中頻率f1的tem模式轉換為te11模式的距離為l1＝l′+l″+l″′+l″″。

如圖3所示頻率為f2的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖，假定頻率為f2的tem模式高功率微波在真空同軸波導中傳播，然后經(jīng)一均分波導的金屬薄片，頻率為f2的tem模式高功率微波一半在介質中傳輸，另外一半繼續(xù)在真空中傳輸，由于微波在介質及真空中傳播的相速不同，經(jīng)過距離l2，分別在介質及真空中傳輸?shù)膖em模式高功率微波產生180度相位差，則頻率為f2的tem模式高功率微波在模式轉換器輸出端口轉換為te11模式。設定l′＝(l1-l2)/2，則有l(wèi)2+(l1-l2)/2＝l″+l″′+l″″。將長度為l′的介質旋轉180度，其與剩余的介電介質長度組合，則實現(xiàn)頻率f2的tem模式轉換為te11模式，轉換效果與經(jīng)過介電介質長度為l2的模式轉換效果一致。

如圖4所示頻率為f3的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖，假定頻率為f3的tem模式高功率微波在真空同軸波導中傳播，然后經(jīng)一均分波導的金屬薄片，頻率為f3的tem模式高功率微波一半在介質中傳輸，另外一半繼續(xù)在真空中傳輸，由于微波在介質及真空中傳播的相速不同，經(jīng)過距離l3，分別在介質及真空中傳輸?shù)膖em模式高功率微波產生180度相位差，則頻率為f3的tem模式高功率微波在模式轉換器輸出端口轉換為te11模式。設定l′+l″＝(l1-l3)/2，則有l(wèi)3+(l1-l3)/2＝l″′+l″″。將長度為l′及l(fā)″的介質旋轉180度，其與剩余長度的介電介質組合，則實現(xiàn)頻率f3的tem模式轉換為te11模式，轉換效果與經(jīng)過介電介質長度為l3的模式轉換效果一致。

如圖5所示頻率為f4的高功率微波不包含圓波導的模式轉換器結構示意圖，假定頻率為f4的tem模式高功率微波在真空同軸波導中傳播，然后經(jīng)一均分波導的金屬薄片，頻率為f4的tem模式高功率微波一半在介質中傳輸，另外一半繼續(xù)在真空中傳輸，由于微波在介質及真空中傳播的相速不同，經(jīng)過距離l4，分別在介質及真空中傳輸?shù)膖em模式高功率微波產生180度相位差，則頻率為f4的tem模式高功率微波在模式轉換器輸出端口轉換為te11模式。設定l′+l″+l″′＝(l1-l4)/2，則有l(wèi)4+(l1-l4)/2＝l″″。將長度為l′、l″及l(fā)″′的介質旋轉180度，其與剩余的介電介質組合，則實現(xiàn)頻率f4的tem模式轉換為te11模式，轉換效果與經(jīng)過介電介質長度為l4的模式轉換效果一致。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。