紧凑型圆极化模式转换器

　　多数高功率微波源,如磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器等,均输出圆波导TM01模或同轴TEM模。这些模式不利于高功率微波的定向发射与空间传输,因此,在应用中通常需要用TM01/TEM-TE11模式转换器将圆波导TM01模或同轴TEM模转换为圆波导TE11模,再通过天线辐射出去。当前,被广泛采用的高功率微波TM01/TEM-TE11模式转换器有两类:一类是弯曲型模式转换器[1-6],另一类是共轴型模式转换器[7-8]。其中,弯曲型模式转换器中最有代表性的是双弯形圆波导模式转换器[1-5],这种转换器具有功率容量高、结构简单等优点,但由于涉及到弯曲形圆波导的加工,实现较为困难,而且其输入和输出端口不在一条直线上,影响了整个高功率微波系统的整体布局和紧凑化设计。共轴型模式转换器中具有代表性的是插板式同轴微波模式转换器[7],该转换器具有输入输出共轴、易于加工等优点,但这种模式转换器结构较为复杂、在高频情况下功率容量不高。值得指出的是,前述所有高功率微波模式转换器都仅能输出线极化TE11模,尚不能很好地满足高功率微波的一些应用需求。2006年本文作者进一步利用插板式同轴结构设计了一种可直接将圆波导TM01模转换为圆极化TE11模的圆极化模式转换器[8],但该转换器结构较为复杂,长度有近5个微波波长,大大增加了高功率微波发射系统的总体长度。

　　因此,尽管人们已经研究了多种高功率微波TM01/TEM-TE11模式转换器,但这些模式转换器在外形结构、总体尺寸、输出模式的极化方式等方面还不能很好地满足高功率微波的应用需求。尤其是现有的模式转换器长度通常需要3~5个微波波长,不能很好地用来设计体积小、质量轻的紧凑化高功率微波发射系统。为此,本文将提出一种新型模式转换器,不仅结构紧凑,而且可将圆波导TM01或同轴TEM模直接转换为圆极化的圆波导TE11模。为了叙述方便,论文主要以圆波导TM01-TE11圆极化模式转换器为例进行介绍。

　　1　紧凑形模式转换器的结构和原理

　　在文献[8]中,作者详细介绍了采用同轴插板结构设计的圆极化模式转换器的工作原理:首先利用4块较长的金属板把同轴波导分为4个扇形波导,使同轴波导内的TEM模转变为扇形波导TE11模;其次,再在4个扇形波导内插入4块长度不等的金属板,调节4个扇形波导输出微波的相位,使相邻波导输出微波的相位差为π/2;最终,4个扇形波导输出的经过不同相位延迟的微波将在输出圆波导内激励起圆极化TE11模。该模式转换器主要利用扇形波导内插入的长度不等的金属板来调节相位,而扇形波导的轴线与整个模式转换器的轴线平行,因此模式转换器的长度较长。此外,如前文所述,该模式转换器结构复杂,功率容量不高;而且由于金属插板边沿的反射较大,模式转换器的匹配设计较为困难,导致转换器的带宽较窄(转换效率大于90%的相对频带宽度仅有12.5%)。