[发明专利]紧凑型宽带TEn0-HE0n模式变换装置

说明书

本发明公开了紧凑型宽带TEn0‑HE0n模式变换装置，属于真空电子技术领域。该装置包括依次连接的输入矩形波导、N级台阶变换段、输出封闭共焦波导段、输出开放共焦波导段。该结构同时对共焦波导镜面曲率半径和镜面宽度进行多级台阶渐变，实现了在相对带宽大于50％的频带内模式转化效率优于‑1dB，且传输曲线平坦、光滑，与线性渐变相比渐变长度大大缩短，结构紧凑、易于加工。

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种应用于毫米波和太赫兹波段的共焦波导回旋器件高频系统冷测用模式变换装置。

背景技术

近年来，国内外在毫米波、太赫兹频段共焦波导回旋器件(包括共焦波导回旋振荡器件和共焦波导回旋行波放大器件)的研制方面取得了很大进展。共焦波导结构是由MIT提出的一种新型的互作用结构，该结构具有良好的模式选择特性，使得回旋器件可以稳定工作于高阶模状态，有效解决了传统回旋器件由于尺寸共度现象难以工作于W波段和太赫兹频段的瓶颈。在共焦波导回旋器件中，横向模式为HE_0n模式，当n为偶数时，这种模式与圆柱波导中的TE_0,n/2模式场分布类似。在研制共焦波导回旋器件时，需要对高频系统中工作模式和主要寄生模式的色散特性和损耗特性(回旋行波放大器件)以及谐振腔Q值和谐振频率(回旋振荡器件)进行冷测实验。要对共焦波导高频系统以上特性进行冷测，研制激励共焦波导中高阶模式HE_0n的模式变换装置是必需的。冷测实验用模式激励器需要满足宽带、带内平坦度好等特性，一种可行的方案是将激励HE_0n模的模式变换装置分为两段分别进行设计：1)矩形波导TE₁₀模到矩形波导TE_n0模的模式变换装置；2)矩形波导TE_n0模到共焦波导HE_0n模的模式变换装置。本发明主要针对第二段进行设计，提出了一种紧凑型宽带矩形波导TE_n0模式到共焦波导HE_0n模式的模式变换装置。

发明内容

本发明针对激励共焦波导高阶模式HE_0n的模式变换装置在共焦波导回旋器件高频系统冷测实验中的重要作用，提出了一种紧凑型宽带矩形波导TE_n0模式到共焦波导HE_0n模式的模式变换装置，该结构同时对共焦波导镜面曲率半径和镜面宽度进行多级台阶渐变，实现了在相对带宽大于50％的频带内模式转化效率优于-1dB，且传输曲线平坦、光滑，与线性渐变相比渐变长度大大缩短，结构紧凑、易于加工。

本发明具体采用如下技术方案：

一种紧凑型宽带TE_n0-HE_0n模式变换装置，该装置包括依次设置的输入矩形波导、N级台阶渐变段、输出封闭共焦波导段、输出开放共焦波导段，其特征在于N级台阶渐变段的共焦波导镜面的曲率半径和镜面宽度为多级台阶渐变，考虑到模式转换效率和加工难度，N取值为3～10。

进一步地，所述模式渐变过程在封闭的N级台阶渐变段完成，有效避免模式变换过程中开放腔的微波衍射损耗，提高模式转化效率。

进一步地，每一级台阶渐变段长度初始值为四分之一波导波长，其数值最终可通过CST或HFSS等三维仿真软件优化得到。

进一步地，渐变级数N以及每一级的镜面宽度和镜面曲率半径可以通过CST 或者HFSS等三维仿真软件优化得到。

本发明的优点：

1)可实现n＝1,2,3…时矩形波导高阶模式TE_n0到共焦波导高阶模式HE_0n的变换。

2)相比线性渐变，可大大缩短变化段长度，结构紧凑、易于加工，便于实际应用。