[發(fā)明專利]微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110446397.3
• 申請(qǐng)日: 2011-12-28
• 公開（公告）號(hào): CN102569950A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王冬;金曉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H01P1/16
• 分類號(hào): H01P1/16
• 代理公司: 中國(guó)工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長(zhǎng)明;韓志英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微波電子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于高功率微波傳輸與輻射裝置。

背景技術(shù)

隨著等離子體技術(shù)、脈沖功率技術(shù)的進(jìn)步以及復(fù)雜PIC模擬工具的發(fā)展，高功率微波技術(shù)也迅速地發(fā)展起來(lái)，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了極大的進(jìn)展,先后出現(xiàn)了很多種不同類型的高功率微波源。

許多高功率微波源，如軸向提取的虛陰極振蕩器、相對(duì)論返波管、三腔渡越時(shí)間振蕩器、多波契倫克夫發(fā)生器等的幾何結(jié)構(gòu)都是旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的，其最終的輸出微波模式都是圓波導(dǎo)軸對(duì)稱模或同軸波導(dǎo)軸對(duì)稱模。由于其輸出端口的口徑場(chǎng)分布具有圓對(duì)稱性，將導(dǎo)致軸向?yàn)榱愕沫h(huán)狀遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。這種微波輻射場(chǎng)能量分散，不便于高功率微波的定向輻射。

為了得到方向集中的微波輻射，需要設(shè)計(jì)軸對(duì)稱模式輻射天線。這種輻射天線通常情況下可以分成三種：一是模式轉(zhuǎn)換器和輻射喇叭的結(jié)構(gòu)；二是Vlasov天線；三是Cobra（Coaxial?Beam-Roatating?Antenna）天線。Vlasov天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是其方向圖特性不理想，增益不高；Cobra天線具有寬頻帶，方向性好，可以產(chǎn)生任意方向極化波的特點(diǎn)，但是為了獲得高增益其尺寸較大，不利于結(jié)構(gòu)小型化；目前在小型化、緊湊型高功率微波源設(shè)計(jì)方面應(yīng)用得比較成功的設(shè)計(jì)方案是模式轉(zhuǎn)換器和輻射喇叭的結(jié)構(gòu)。

名稱為“同軸插板式TEM-TE₁₁模式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究”的文章（強(qiáng)激光與粒子束，2005年第17卷第6期，p897）提出一種插板式模式轉(zhuǎn)換器，將同軸波導(dǎo)分成相速度不等的多個(gè)扇形波導(dǎo)分區(qū)，利用微波在各分區(qū)內(nèi)相位傳播速度不同來(lái)實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。但是電磁波在各分區(qū)之間相速度差值有限，因此要實(shí)現(xiàn)TEM-TE₁₁的模式轉(zhuǎn)換需要很長(zhǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了縮短插板式結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，名稱為“L波段磁絕緣線振蕩器一體化輻射天線”的文章（強(qiáng)激光與粒子束，2008年第20卷第3期，p435）提出了一種插板與介質(zhì)移相相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，使模式轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)度大大減小，但是功率容量問(wèn)題仍然是該類結(jié)構(gòu)的瓶頸。名稱為“緊湊型圓極化模式轉(zhuǎn)換器”的文章（強(qiáng)激光與粒子束，2009年第21卷第3期，p411）提出了一種折疊波導(dǎo)式模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)交叉的十字形波導(dǎo)將軸向傳播的電磁波引入具有不同長(zhǎng)度的幾個(gè)橫向波導(dǎo)中，利用電磁波在橫向波導(dǎo)中的路程差產(chǎn)生相位差，實(shí)現(xiàn)TEM-TE₁₁模式轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)具有較高的功率容量，并且可以減小系統(tǒng)的軸向長(zhǎng)度，但是卻在橫向尺度上加大了系統(tǒng)尺寸，特別是在低頻段，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了使模式轉(zhuǎn)換器既能實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換功能，又不增加系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)還能做到結(jié)構(gòu)緊湊，本發(fā)明提供一種微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)TEM/TM₀₁模到TE₁₁模的模式轉(zhuǎn)換，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。

本發(fā)明的微波光子晶體模式轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)是，所述的模式轉(zhuǎn)換器包括內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、支撐桿；內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的外形均由半徑不同的同軸心圓筒體構(gòu)成，內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)多根支撐桿固定在外導(dǎo)體內(nèi)，每根支撐桿的兩端分別與內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體固定連接。所述的支撐桿的截面形狀為方形、圓形，或其它形狀。支撐桿數(shù)目大于三組，每組包含支撐桿的數(shù)量為三根以上；支撐桿沿圓周方向非均勻設(shè)置。

本發(fā)明中通過(guò)周期性排列的多組支撐桿將內(nèi)、外導(dǎo)體組成的同軸波導(dǎo)沿圓周方向分成大致相等的兩個(gè)區(qū)域；其中一個(gè)區(qū)域內(nèi)分布有多根具有一定角度間隔的支撐桿，形成扇形波導(dǎo)內(nèi)的微波光子晶體；另一個(gè)區(qū)域內(nèi)為扇形波導(dǎo)；兩個(gè)區(qū)域之間可以在相交邊界上通過(guò)金屬板分開，也可以不設(shè)置金屬板分隔。

本發(fā)明的模式轉(zhuǎn)換器沿微波傳播方向分為微波輸入口、模式轉(zhuǎn)換區(qū)、微波輸出口三大功能部分。其中，模式轉(zhuǎn)換區(qū)為插入多根支撐桿的同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；微波輸入口和微波輸出口既可以為同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，也可以為空心圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸在三個(gè)功能區(qū)域可以不相等。微波輸入口與微波源或上一級(jí)傳輸裝置相連，微波通過(guò)輸入口進(jìn)入模式轉(zhuǎn)換器；微波輸出口與下一級(jí)傳輸裝置或輻射裝置相連，將完成模式轉(zhuǎn)換后的微波輸出。