一种工作于x波段的圆波导te11-tm01混合模式激励器及设计方法
阅读说明：本技术 一种工作于x波段的圆波导te11-tm01混合模式激励器及设计方法 (Circular waveguide TE11-TM01 hybrid mode exciter working in X wave band and design method ) 是由 任杰 翁明 李永东 曹猛 林舒 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器及设计方法,属微波模式激励器领域,旨在解决激励器仅为单模式激励器,且其结构不能调整的问题。本发明提出的混合模式激励器通过矩形波导传输段与矩形波导截至段形成一种模式,再结合圆波导结构形成混合模式,矩形波截止段减小矩形波导传输段输入端反射,使其具有低反射优点,再对圆波导结构上设置阻抗匹配段来实现阻抗匹配。在普通的带有矩形槽结构的模式转换器结构基础上,增加矩形槽结构的调节模块,可用于调节输出模式的模式混合比。本发明提出的混合模式激励器结构简单,易于加工,在进行实验时便于组装测试,为高功率微波测量系统中的混合模式研究提供了技术基础。(The invention discloses a circular waveguide TE11-TM01 mixed mode exciter working in an X wave band and a design method thereof, belongs to the field of microwave mode exciters, and aims to solve the problems that the exciter is only a single mode exciter, and the structure of the exciter cannot be adjusted. The mixed mode exciter forms a mode through the rectangular waveguide transmission section and the rectangular waveguide cut-off section, then forms a mixed mode by combining with the circular waveguide structure, reduces the reflection of the input end of the rectangular waveguide transmission section through the rectangular waveguide cut-off section, so that the mixed mode exciter has the advantage of low reflection, and then realizes impedance matching by arranging the impedance matching section on the circular waveguide structure. On the basis of a common mode converter structure with a rectangular groove structure, an adjusting module with the rectangular groove structure is added, and the mode mixing ratio of an output mode can be adjusted. The mixed mode exciter provided by the invention has the advantages of simple structure, easiness in processing, convenience in assembly and test during experiment, and provides a technical basis for mixed mode research in a high-power microwave measurement system.)
技术领域
本发明属于微波模式激励器领域，涉及一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器及设计方法。
背景技术
由于目前的高功率微波在线测量系统中，在实际的高功率实验中无法获取真实的模式混合信息，因而无法验证用于判断模式纯度的方法是否准确，故需要在低功率情况下对不同的模式混合情况进行标定，为混合模式诊断方法的验证提供基础。
模式变换对高功率微波的传输与发送是十分重要的，高功率微波在传输时为了方便控制模式，经常需要不同形式的波导进行模式转换。但是，目前已报道的激励器主要为单模式的激励器，且结构固定，无法调整。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器及设计方法，旨在解决现有技术中激励器仅为单模式激励器，且激励器结构不能调整的缺陷性技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提出了一种工作于X波段的圆波导TE11与TM01混合模式激励器，包括矩形波导传输段、矩形槽结构、矩形波导截止段、圆波导结构和阻抗匹配段；
所述矩形波导传输段和矩形波导截止段对称设置在矩形槽结构的两端，圆波导结构设置在矩形槽结构上方的中心位置，阻抗匹配段设置在圆形波导结构的上方。
优选地，矩形波导传输段的长度大于矩形波导截止段的长度。
优选地，矩形波导传输段端口开放，用于输入微波。
优选地，矩形波导截止段端口封闭，用于截止微波。
优选地，圆波导结构的轴心与阻抗匹配段的轴心重合。
优选地，阻抗匹配段由3段阶梯式圆波导构成。
优选地，矩形槽结构能够根据需求进行高度调节。
本发明还提出了一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器的设计方法，包括如下步骤：
S1、将微波送入矩形波导传输段中；
S2、由矩形波导传输段将微波传入矩形槽结构中，微波经矩形槽结构转换为目标模式，将目标模式传入圆波导结构中；
S3、通过阻抗匹配段实现阻抗匹配后输出目标模式。
优选地，矩形波导截止段用于减小矩形波导传输段的输入端反射。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器，通过在矩形槽结构的两侧设置矩形波导传输段和矩形波导截至段，能够在微波进入矩形波导传输段时，矩形波截至段来减小矩形波导传输段输入端反射，从而具有低反射、低损耗优点，在矩形波导传输段和矩形波导截至段上设置圆波导结构实现多模式优点，再对其圆波导结构上设置阻抗匹配段来实现阻抗匹配；将圆波导结构设置在矩形槽结构上方的中心位置，矩形槽结构对微波进行调整，传输到圆波导结构时为对称模式，圆波导结构未设置在矩形槽结构的中心，会产生其他的干扰模式，影响本发明的效果；加入矩形槽结构是为了调整激励器的性能。本发明提出的混合模式激励器结构简单，易于加工，在进行实验时便于组装测试，为高功率微波测量系统中的混合模式研究提供了技术基础。
进一步地，矩形波导传输段的长度大于矩形波导截止段的长度，目的是为了提高微波的传输效率，降低反射。
进一步地，圆波导结构的轴心与阻抗匹配段轴心重合，能够加快微波在激励器中的传输速度，如果不同轴设置会降低微波传输效率。
进一步地，在普通的带有矩形槽结构的模式转换器结构基础上，增加了矩形槽调节块，可用于调节输出模式的模式混合比。
进一步地，矩形波导传输段端口开放能够用来输入微波，矩形波导截止段端口封闭能够用来截止微波。
进一步地，根据切比雪夫阻抗变换段原理，阻抗匹配段采用三阶切比雪夫阻抗变换段。
本发明提出的一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器的设计方法操作步骤简单，便于实现，在微波模式激励器领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的圆波导TE11与TM01混合模式激励器中基础模式转换器结构示意图；
图2为图1的后视图；
图3为图1的左视图；
图4为本发明的矩形槽调节块的结构示意图；
图5为本发明矩形波导TE10模式的S11参数图(矩形槽调节高度为1mm)；
图6为本发明圆波导TE11模式的S21参数图(矩形槽调节高度为1mm)；
图7为本发明矩形波导TE10模式的S11参数图(矩形槽调节高度为12.6mm)；
图8为本发明圆波导TE11模式的S21参数图(矩形槽调节高度为12.6mm)；
图9为本发明矩形波导TE10模式的S11参数图(矩形槽调节高度为11mm)；
图10为本发明圆波导TE11模式的S21参数图(矩形槽调节高度为11mm)。
其中：1-矩形波导传输段；2-矩形槽结构；3-矩形波导截止段；4-圆波导结构；5-阻抗匹配段。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明公开的一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器，包括基础模式转换器结构和矩形槽调节块结构。
如图1、图2和图3所示，基础模式转换器结构按微波传输方向分别由以下部分组成：矩形波导传输段1、矩形槽结构2、矩形波导截止段3、圆波导结构4和阻抗匹配段5。
优选地，所述矩形波导传输段1和矩形波导截止段3对称设置在矩形槽结构2的两端，圆波导结构4设置在矩形槽结构2上方的中心位置，矩形槽结构2对微波进行调整，传输到圆波导结构4时为对称模式，如果圆波导结构4未设置在矩形槽结构的中心，会产生其他的干扰模式，影响本发明的效果，阻抗匹配段5设置在圆形波导结构4的上方用于实现阻抗匹配；矩形波导传输段1的长度大于矩形波导截止段3的长度，是为了提高微波的传输效率，降低反射；具体的，在没有矩形槽结构2时，矩形波导传输段1和矩形波导截止段3为一个整体，加入矩形槽结构2就是为了调整混合模式激励器的性能，将矩形波导分隔成矩形波导传输段1和矩形波导截止段3。阻抗匹配段5由3段阶梯式圆波导构成，具体的：根据切比雪夫阻抗变换段原理，阻抗匹配段采用三阶切比雪夫阻抗变换段；圆波导结构4的轴心与阻抗匹配段5的轴心重合，能够加快微波在激励器中的传输速度，如果不同轴设置会降低微波传输效率。
优选地，矩形波导传输段1端口开放，用于输入微波；矩形波导截止段3端口封闭，用于截止微波。
本发明提出了一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器的设计方法，包括如下步骤：
S1、微波进入矩形波导传输段1中；
S2、由矩形波导传输段1将微波传入矩形槽结构2中，微波经由矩形槽结构2转换为目标模式，将目标模式传输进入圆波导结构4中；
矩形槽结构2尺寸的不同，对微波的激励情况也不同，在特定的长和宽下可以只传输TM01模式与少量TE11模式，不同的高度可以调节模式混合比。
S3、最终通过阻抗匹配段5实现阻抗匹配后输出目标模式。
优选地，矩形波导截止段3则用于减小矩形波导传输段1的输入端反射。
如图4所示，参照图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)的矩形槽结构2的调节块结构可根据矩形槽结构2的高度需求进行调整：基础模式转换器结构中的矩形波导传输段1为固定尺寸，高度为固定值，且矩形槽结构2具有一个初始高度，当需要对矩形槽结构2的高度进行调整时，加入如图4所示的对应调节块即可。
本实施例中，各部分均采用金属制成。参见图1，矩形波导传输段1输入端面长为22.86mm，宽为10.16mm，沿微波输入方向的长度为45.7mm；矩形波导截止段3与输入端面平行面长为22.86mm，宽为10.16mm，沿微波输入方向的长度为24.45mm；矩形槽结构2的初始尺寸垂直于微波输入方向长度为12.8mm，宽度为33mm，沿微波输入方向长度为10.6mm。
圆波导结构4的直径为29.2mm，高度为76.84mm；阻抗匹配段4由3段阶梯式圆波导构成，由下至上，第一段直径为36.14mm，高为5.94mm；第二段直径为44.94mm，高为6.5mm；第三段直径为49.5mm，高为25.53mm。
对上述利用矩形槽结构2的调节块，对矩形槽结构2的高度可调的混合模式激励器结构进行建模和仿真处理后，分别对以下情况进行分析：
当矩形槽结构2的高度为12.8mm时，矩形波导TE10模式的S11参数如图5所示，圆波导TE11模式和TM01模式的S21参数如图6所示，在9.2～10.2GHz频带内小于-15dB，TE11模式在9.7GHz频点处S21参数为-21.59dB，即TE11模式含量为0.69％；
当矩形槽结构2的高度为1mm时，矩形波导TE10模式的S11参数如图7所示，圆波导TE11模式和TM01模式的S21参数如图8所示，在9.6～10.2GHz频带内小于-15dB，TE11模式在9.7GHz频点处S21参数为-6.41dB，即TE11模式含量为22.86％；
当矩形槽结构2的高度为11mm时，矩形波导TE10模式的S11参数如图9所示，圆波导TE11模式和TM01模式的S21参数如图10所示，在9.2～9.9GHz频带内小于-15dB，TE11模式在9.7GHz频点处S21参数为-9.68dB，即TE11模式含量为10.76％。
对于其他TE11含量为0.69～22.86％的混合模式输出，都可以通过改变矩形槽结构2的调节块来调整矩形槽结构2的高度实现，具体对应关系如下表：
表1矩形槽高度与TE11含量关系
TE11含量/％
矩形槽高度/mm
0.69
12.8
2.15
12.4
4.28
12
7.46
11.5
10.76
11
15.81
10
17.78
8
19.59
6
21.23
4
22.86
1
综上，本发明提出的一种工作于X波段的圆波导TE11-TM01混合模式激励器具有良好的传输性能和较高的转换效率，同时具有低反射、模式混合比可调等优点，并且加工简单，可根据表1对TE11含量进行调整，提供了一种圆波导TE11与TM01的混合模式输出。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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