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(dǎo)和低損耗、耐高溫分層介質(zhì)。所述規(guī)則圓波導(dǎo)為圓筒形，所述低損耗、耐高溫分層介質(zhì)是填充在圓波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)內(nèi)各層介質(zhì)間的模式耦合來實(shí)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(diǎn)，應(yīng)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(shí)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(dǎo)在微波與毫米波技術(shù)中得到了許多重要應(yīng)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(yīng)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(dǎo)中填充低損耗、耐高溫的分層介質(zhì)具有設(shè)計(jì)簡單、加工容易、成本低等特點(diǎn)且電磁波在填充分層介質(zhì)的波導(dǎo)中傳播時(shí)，除本身要滿足麥克斯韋波動(dòng)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(dǎo)中的一些電磁模式之間就會(huì)產(chǎn)生一定的耦合，這種填充分層介質(zhì)的波導(dǎo)可以應(yīng)用于一些重要的高功率微波器件如模式變換器的設(shè)計(jì)中，從而提高器件的性能，應(yīng)用巨大。
[0003]目前，回旋管及高功率微波源外接的波導(dǎo)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(bào)道較多，但大都是采用彎曲波導(dǎo)或插板移相方式來實(shí)現(xiàn)，這兩種結(jié)構(gòu)的變換器尺寸及復(fù)雜度較大；關(guān)于模式變換的報(bào)道極少，傳統(tǒng)的是采用表面阻抗?jié)u變的紋波波導(dǎo)來實(shí)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(dāng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)存在不均勻性時(shí)，其中將產(chǎn)生模式之間的耦合。波導(dǎo)中的不均勻性包括波導(dǎo)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(cè)。模式變換器設(shè)計(jì)”(強(qiáng)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(dǎo)風(fēng)廠冊(cè)。模式變換器研究”(物理學(xué)報(bào)，2013年第62卷第7期，？07840 0分別提出采用波導(dǎo)半徑漸變和波導(dǎo)軸向彎曲的方法來獲得冊(cè)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(dǎo)金屬結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)內(nèi)電磁模式徑向和角向角標(biāo)的改變從而獲得冊(cè)卩模式，這種新方法解決了紋波波導(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了冊(cè)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(dǎo)金屬結(jié)構(gòu)的前提下，采用在規(guī)則波導(dǎo)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(biāo)來實(shí)現(xiàn)特定的模式變換，可實(shí)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(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有波導(dǎo)模式變換器的尺寸過大、結(jié)構(gòu)復(fù)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(dǎo)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(dǎo)的尺寸、圓波導(dǎo)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(dǎo)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(jì)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(yīng)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(kuò)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(fù)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(shí)現(xiàn)不同模式之間的耦合變換，應(yīng)用前景廣闊。
[0010]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是實(shí)施例1提供的一種模式變換器結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖2是實(shí)施例1提供的一種(11^)-冊(cè)。模式變換器橫截面視圖；
圖3是實(shí)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(shí)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(dǎo)，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(shí)際情況。
[0011]

【具體實(shí)施方式】
下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理做進(jìn)一步說明，說明書附圖是本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。
[0012]本發(fā)明的模式變換器由規(guī)則圓波導(dǎo)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(dǎo)一般采用傳導(dǎo)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(jià)格低的聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷材料或者新型復(fù)合異向材料坐寸。
[0013]實(shí)施例1，丁匕(11^)-冊(cè)。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(dǎo)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(dǎo)內(nèi)緊貼圓波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，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(dǎo)內(nèi)沿軸向漸變的徑向分層介質(zhì)導(dǎo)致微波傳輸模式徑向角標(biāo)改變，1、模式或模式可以耦合出模式與模式，當(dāng)圓波導(dǎo)內(nèi)介質(zhì)1、介質(zhì)II滿足一定的組成時(shí)，饋入圓波導(dǎo)的12。(11^)模式就可以在圓波導(dǎo)末端變換成高純度的冊(cè)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(dǎo)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(jì)算和仿真，或者由實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dǎo)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(dǎo)內(nèi)緊貼圓波導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)緊貼圓波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，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(dǎo)內(nèi)沿軸向漸變的角向分層介質(zhì)導(dǎo)致微波傳輸模式角向角標(biāo)改變，1?模式或1‘模式可以耦合出模式，當(dāng)圓波導(dǎo)內(nèi)介質(zhì)1、介質(zhì)II滿足一定的組成時(shí)，饋入圓波導(dǎo)的(1^01)模式就可以在圓波導(dǎo)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(dǎo)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(jì)算和仿真，或者由實(shí)驗(yàn)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(shí)施例3，1101 (1^)-冊(cè)。模式變換器:見說明書附圖4。附圖4是正視圖，圓波導(dǎo)內(nèi)填充的分層介質(zhì)為徑向和角向都分層介質(zhì)。實(shí)施例3是實(shí)施例1和實(shí)施例2的組合，有別于實(shí)施例1，實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例1和2描述的相同。微波在圓波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，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(dǎo)內(nèi)沿軸向漸變的徑向分層及角向分層介質(zhì)導(dǎo)致微波傳輸模式徑向和角向角標(biāo)改變，11^模式或12“模式可以I禹合出冊(cè)。，當(dāng)圓波導(dǎo)內(nèi)介質(zhì)1、介質(zhì)II以及介質(zhì)III滿足一定的組成時(shí)，饋入圓波導(dǎo)的丁1。1 (1^)模式就可以在圓波導(dǎo)末端變換成高純度的冊(cè)。模式。
[0018]和實(shí)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(dá)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(dǎo)和低損耗、耐高溫分層介質(zhì)，所述規(guī)則圓波導(dǎo)為圓筒形，所述低損耗、耐高溫分層介質(zhì)是填充在圓波導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)沿其軸向漸變的徑向分層介質(zhì)，用于實(shí)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(dǎo)內(nèi)沿其軸向漸變的角向分層介質(zhì)，用于實(shí)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(dǎo)內(nèi)沿其軸向漸變的徑向和角向都分層介質(zhì)，用于實(shí)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(dǎo)的尺寸可調(diào)，各層介質(zhì)在規(guī)則圓波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)其它模式變換的模式變換器。
【文檔編號(hào)】H01P5/16GK104466334SQ201410705897
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西南科技大學(xué)