本發(fā)明涉及微波傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別是高功率微波傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高功率容量過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，攜帶更高能量微波的應(yīng)用日漸增多，并且這種趨勢(shì)一直在往更高功率發(fā)展。通常微波功率達(dá)到kw級(jí)別就可以稱為大功率了，達(dá)到mw或gw級(jí)別一般就稱為高功率了。為了滿足高功率微波在傳輸系統(tǒng)中的傳輸要求，饋線中的各部分結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有更高的功率容量，與此同時(shí)，高功率微波系統(tǒng)的小型化發(fā)展趨勢(shì)又要求傳輸系統(tǒng)具有更小的尺寸，因此，如何在更小的尺寸要求下實(shí)現(xiàn)高效率、高功率容量的微波傳輸是應(yīng)用中亟需解決的困難。微波傳輸中的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)是微波傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，但是由于轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)的存在，轉(zhuǎn)彎部分通常無法同時(shí)滿足高功率容量和小轉(zhuǎn)彎半徑的要求。圓波導(dǎo)tm01模是高功率微波源的常用輸出模式，由于特定的系統(tǒng)要求，圓波導(dǎo)tm01模的傳輸往往需要用到轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)。

由于同軸tem模和圓波導(dǎo)tm01模的角向?qū)ΨQ性，使二者有著很好的轉(zhuǎn)化關(guān)系，因此同軸tem模也可用來實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)tm01模的轉(zhuǎn)彎。對(duì)于波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎傳輸，國(guó)內(nèi)外有以下的研究：

(1)圓波導(dǎo)tm01轉(zhuǎn)彎

有學(xué)者提出通過選擇合適的圓波導(dǎo)半徑a，轉(zhuǎn)彎半徑r及轉(zhuǎn)彎角度θ使輸出口te11模的幅值近似為0，就可以設(shè)計(jì)出高效率傳輸tm01模圓轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)10[袁成衛(wèi)，鐘輝煌，錢寶良.高功率微波轉(zhuǎn)彎圓波導(dǎo)設(shè)計(jì)[j].強(qiáng)激光與粒子束，2009,21(2)：255-258]，圓轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)10結(jié)構(gòu)示意圖1所示，可以看成是一根彎曲的金屬導(dǎo)管。該模型在工作頻率10ghz，中心頻點(diǎn)模式傳輸效率為99.7％時(shí)，實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)彎所需半徑為530mm，轉(zhuǎn)彎半徑很大。

學(xué)者丁艷鋒等提出了采用過模圓波導(dǎo)在轉(zhuǎn)彎之前轉(zhuǎn)換為半圓波導(dǎo)，利用半圓波導(dǎo)單模轉(zhuǎn)彎，并最終合成為圓波導(dǎo)tm01模的結(jié)構(gòu)[丁艷峰,劉慶想,張健穹.過模圓轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[j].強(qiáng)激光與粒束,2011,08:2135-2140]。在轉(zhuǎn)彎部分該模型必須要滿足半圓波導(dǎo)的單模傳輸條件，因此模型的功率容量也無法進(jìn)一步提升，且頻率越高，功率容量的上限也就越低。

(2)同軸轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)

學(xué)者劉慶想教授，張健穹博士等提出了在同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎處采用單模波導(dǎo)的形式實(shí)現(xiàn)同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎[張健穹，劉慶想，趙柳，李相強(qiáng).同軸轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[j].強(qiáng)激光與粒子束，2010,22(5)：1085-1088]，該模型在轉(zhuǎn)彎處使用同軸tem的單模傳輸，限制了模型尺寸的同時(shí)限制了模型的功率容量。

學(xué)者janvanhese,danieldezutter設(shè)計(jì)了一種方同軸轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)[janvanhese,danieldezutter.modelingofdiscontinuitiesingeneralcoaxialwaveguidestructuresbythefdtd-method[j].ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques.1995,43(3):582-59]，該模型的單模傳輸條件限制了轉(zhuǎn)彎部分同軸波導(dǎo)的大小，因此其功率容量也就相對(duì)較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種高功率容量過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，能夠降低轉(zhuǎn)彎半徑，提高功率容量，適用于高功率微波的轉(zhuǎn)彎傳輸。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，包括依次相連的輸入圓波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)、和輸出圓波導(dǎo)，所述輸入圓波導(dǎo)、輸出圓波導(dǎo)和同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體由半徑相同的導(dǎo)管構(gòu)成，所述輸入圓波導(dǎo)和輸出圓波導(dǎo)與同軸波導(dǎo)同軸，所述同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體徑向均勻分布有導(dǎo)體插板，所述導(dǎo)體插板與同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體相連，所述導(dǎo)體插板長(zhǎng)度＜同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體長(zhǎng)度，所述同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體兩端分別伸入輸入圓波導(dǎo)和輸出圓波導(dǎo)，所述同軸波導(dǎo)以r為轉(zhuǎn)彎半徑彎曲θ°；r≥圓波導(dǎo)外徑，0°＜θ＜180°。

進(jìn)一步的，所述導(dǎo)體插板設(shè)置在彎角內(nèi)，兩端分別伸入輸入圓波導(dǎo)和輸出圓波導(dǎo)，所述θ角的角平分線過同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體的中點(diǎn)。

具體的，θ＝90°。

進(jìn)一步的，至少有一張導(dǎo)體插板與轉(zhuǎn)彎半徑共面。

具體的，所述導(dǎo)體插板有2張與轉(zhuǎn)彎半徑共面。

進(jìn)一步的，所述導(dǎo)體插板有4n張，n為非零自然數(shù)。

具體的，n＝1。

更具體的，所述過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)工作頻率為8.4ghz，輸入圓波導(dǎo)半徑為28mm，轉(zhuǎn)彎半徑r＝38mm，θ＝90°，同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體半徑為13mm，導(dǎo)體插板厚度2mm，同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體超出導(dǎo)體插板21mm。

本發(fā)明的有益效果是，結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸效率高，功率容量高，適用于高功率微波的轉(zhuǎn)彎傳輸。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的具體實(shí)施方式、示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。附圖中：

圖1為現(xiàn)有技術(shù)圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的a-a剖視圖。

圖4為實(shí)施例轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)tm01模反射特性曲線和傳輸特性曲線示意圖；

其中：s為反射特性曲線；t為傳輸特性曲線。

圖5為實(shí)施例的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換示意圖；

其中：圖5-1為輸入圓波導(dǎo)處傳輸模式在橫截面上的電場(chǎng)分布示意圖，圖5-2為圓波導(dǎo)-同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處傳輸模式在橫截面上的電場(chǎng)分布示意圖，圖5-3為同軸波導(dǎo)-扇形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處傳輸模式在橫截面上的電場(chǎng)分布示意圖，圖5-4微波傳輸至θ/2處傳輸模式在橫截面上的電場(chǎng)分布示意圖，圖5-5為扇形波導(dǎo)-同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處傳輸模式在橫截面上的電場(chǎng)分布示意圖，圖5-6為同軸波導(dǎo)-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處傳輸模式在橫截面上的電場(chǎng)分布示意圖，圖5-7為輸出圓波導(dǎo)處傳輸模式在橫截面上的電場(chǎng)分布布示意圖。

圖6為8片導(dǎo)體插板(即n＝2)的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖7為3片導(dǎo)體插板的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖8為6片導(dǎo)體插板的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)剖視圖。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的具體實(shí)施方式、實(shí)施例以及其中的特征可以相互組合?，F(xiàn)將參考附圖并結(jié)合以下內(nèi)容詳細(xì)說明本發(fā)明。

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施方式、實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式、實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一分部的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的具體實(shí)施方式、實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施方式、實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明屬于微波傳輸技術(shù)領(lǐng)域，其中涉及的術(shù)語波導(dǎo)是一種用來約束或引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)，通常由金屬構(gòu)成，常用于傳輸電磁波。圓波導(dǎo)是一種空心導(dǎo)管，橫截面為圓形。同軸波導(dǎo)是在圓波導(dǎo)軸線上設(shè)置一根導(dǎo)體(稱為同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體)構(gòu)成。扇形波導(dǎo)則是橫截面為扇形的導(dǎo)管。這幾種波導(dǎo)傳輸?shù)碾姶挪ū幌拗圃趯?dǎo)管內(nèi)，又稱封閉波導(dǎo)。由于微波傳輸?shù)奶厥庑裕灰軌虮ＷC結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通常不關(guān)心金屬管的厚度。

實(shí)施例

本例以工作頻率為8.4ghz的過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明，如圖2和圖3所示，包括依次相連的輸入圓波導(dǎo)1、同軸波導(dǎo)3和輸出圓波導(dǎo)6。輸入圓波導(dǎo)1和輸出圓波導(dǎo)6半徑與同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體半徑相同，均為半徑28mm的金屬導(dǎo)管，同軸波導(dǎo)3內(nèi)導(dǎo)體2半徑為13mm。輸入圓波導(dǎo)1和輸出圓波導(dǎo)6與同軸波導(dǎo)3同軸，如圖2中的mon軸線。同軸波3內(nèi)導(dǎo)體2徑向均勻分布有四片導(dǎo)體插板4，相鄰導(dǎo)體插板4間隔90°，四片導(dǎo)體插板4與同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體相連，將同軸波導(dǎo)腔分割成四個(gè)截面形狀和面積相同的扇形波導(dǎo)腔5，如圖3中5a、5b、5c和5d所示，其中有2張導(dǎo)體插板4與轉(zhuǎn)彎半徑r共面，如圖2所示。每片導(dǎo)體插板4厚度d均為2mm，導(dǎo)體插板4長(zhǎng)度＜同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體2長(zhǎng)度，同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體2兩端分別伸入輸入圓波導(dǎo)1和輸出圓波導(dǎo)6各21mm，即圖2中b＝21mm。本例同軸波導(dǎo)以r＝38mm為轉(zhuǎn)彎半徑彎曲90°，即圖1中θ＝90°。由圖2可以看出，四片導(dǎo)體插板4設(shè)置在90°彎角內(nèi)，兩端分別超過轉(zhuǎn)彎處5mm，即圖2中c＝5mm，且該轉(zhuǎn)彎角度的角平分線op過同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體的中點(diǎn)o。本例中，導(dǎo)體插板4兩端超過轉(zhuǎn)彎部分5mm，主要起到過渡的作用，在微波傳輸過程中能夠從輸入端的輸入圓波導(dǎo)1通過同軸波導(dǎo)3過渡到扇形波導(dǎo)5，然后通過扇形波導(dǎo)5后過渡到同軸波導(dǎo)3，最后由輸出圓波導(dǎo)6輸出。

圖4示出了本例過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)反射曲線s和傳輸曲線t的示意圖，數(shù)值模擬結(jié)果為：在工作頻率8.4ghz下，tm01模反射系數(shù)小于0.005，傳輸效率高于99.9％。在整個(gè)仿真頻帶范圍8-8.8ghz內(nèi)，模式傳輸效率高于95％。模型的最大電場(chǎng)值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎處的同軸波導(dǎo)同軸內(nèi)導(dǎo)體上，最大值為1017v/m，經(jīng)計(jì)算本例過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功率容量約2.7gw。上述結(jié)果表明，該高功率圓波導(dǎo)tm01轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、反射小、功率容量高的特性。

本例過模圓波導(dǎo)tm01模轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)工作過程中波導(dǎo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖5所示，可以看成是一根圓波導(dǎo)經(jīng)過同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體2以及導(dǎo)體插板4的分割，依次由輸入圓波導(dǎo)1轉(zhuǎn)化為同軸波導(dǎo)3、扇形波導(dǎo)5、同軸波導(dǎo)3最后再轉(zhuǎn)化成輸出圓波導(dǎo)6。圓波導(dǎo)tm01模由輸入圓波導(dǎo)1饋入，其橫截面上的電場(chǎng)分布如圖5-1所示。微波進(jìn)入同軸波導(dǎo)經(jīng)由同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)換為同軸tem模，同軸tem模在轉(zhuǎn)彎之前由金屬插板將其轉(zhuǎn)換為多路扇形波導(dǎo)te11模，轉(zhuǎn)彎過程中，轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)部分扇形波導(dǎo)(5a和5b)te11模將與外側(cè)部分扇形波導(dǎo)(5c和5d)te11模產(chǎn)生2π的相位差。最終在轉(zhuǎn)彎之后實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)和外側(cè)扇形波導(dǎo)te11模的同相，達(dá)到模式合成要求，合成為同軸tem模，在輸出圓波導(dǎo)6中(相當(dāng)于去掉同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體)，同軸tem模將轉(zhuǎn)換為圓波導(dǎo)tm01模，至此實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)tm01模的轉(zhuǎn)彎傳輸。整個(gè)過程的模式轉(zhuǎn)換如圖5所示，θ＝90°為模型轉(zhuǎn)彎角度。此外，通過改變輸入圓波導(dǎo)和同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體的半徑，可以在一定的轉(zhuǎn)彎角度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)任意角度的模型轉(zhuǎn)彎。

需要說明的是，圖6-8所示的導(dǎo)體插板分布方式也可以實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)彎功能。其中，不同于四片插板結(jié)構(gòu)的地方在于，圖6-8的幾種插板方式在轉(zhuǎn)彎處需要控制的扇形波導(dǎo)te11模相位變量較4塊插板多，因此，為了滿足模式合成處的相位條件，需要添加相位控制變量，其中包括，插板的不同長(zhǎng)度、扇形波導(dǎo)不同角度等變量。

不同插板數(shù)量的轉(zhuǎn)彎方式，對(duì)于扇形波導(dǎo)的相位要求是相同的，即，不同扇形波導(dǎo)在模式合成處其te11模的相位相同或相差2kπ，其中k＝0,1,2，3…。

圖6-8這幾種轉(zhuǎn)彎方式，對(duì)于不同轉(zhuǎn)彎角度其相位關(guān)系大體是一樣的。不同之處在于，不同的角度，對(duì)應(yīng)的不同扇形波導(dǎo)te11模之間的相位差為2kπ，其中k值可能不同。