一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器制造技术

本发明专利技术公开了一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器，属于大功率毫米波器件技术领域。该定向耦合器包括过模四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以及通过一排耦合圆孔与过模四极主波导凸起部分连通的副波导。本发明专利技术采用基于过模的四极波导结构，功率容量大，且能在宽频带范围内实现耦合度平稳、方向性高的输出特性；四极波导内模式间隔较大，从而使得定向耦合器具有强烈的模式选择特性，可以避免其他寄生模式的影响；四极波导结构还能实现高方向性的指标，具有抗驻波特性。

A wide-band and high-power millimeter wave overmode waveguide TE01 directional coupler

The invention discloses a wide-band and high-power millimeter wave overmode waveguide TE01 directional coupler, which belongs to the field of high power millimeter wave device technology. The directional coupler includes over mode quadrupole main waveguide, symmetrical input and output transition section at both ends, and a secondary waveguide connected through a row of coupled circular holes and the convex part of the overmode quadrupole main waveguide. The invention is based on a quadrupole mode waveguide structure, large power capacity, and can realize the coupling of stable and high output performance in a wide frequency band; quadrupole waveguide mode spacing is larger, so that the directional coupler has strong characteristics of mode selection, can avoid the influence of other parasitic modes; quadrupole waveguide structure can the index of high directivity, with anti vswr.

【技术实现步骤摘要】
一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器
本专利技术属于大功率毫米波器件
，具体涉及一种用于大功率毫米波传输链路上功率检测的定向耦合器。
技术介绍
定向耦合器是微波系统中应用十分广泛的一种微波、毫米波器件，主要作用是对大功率的信号进行功率检测、频谱测量等。通常，定向耦合器由主波导和副波导组成，其中主波导用于大功率信号的传输，副波导则通过耦合出部分功率进行检测进而反算出主波导中传输的能量。同轴线、带状线、微带线和矩形波导、圆波导等波导结构都可以实现定向耦合器。回旋行波管是目前在毫米波频段上唯一能实现高功率、宽频带、高增益输出的大功率源，在等离子体加热、毫米波雷达、电子对抗等方面有很大的应用价值。TE01模式具有角向均匀对称、边缘部分场强极小的特点，是回旋行波管常用的工作模式。为了满足回旋行波管输出功率的要求和降低传输损耗，回旋行波管通常采用过模圆波导进行输出。因此，在大功率毫米波系统中，为了有效地测量功率源的输出功率及检测输出频谱，需要使用TE01模过模波导定向耦合器进行测试。考虑到回旋行波管的输出功率水平和常用的毫米波检波设备、匹配负载的工作条件，定向耦合器必须具有低耦合度、高隔离度以及高方向性。较单模波导不同的是，过模波导中可传播的模式数丰富。而波导结构的形变包括倾斜、弯曲、错位等均会将功率源输出的TE01模式部分转换成其他模式如TE02模、TE11模等。这些寄生模式的存在会降低TE01定向耦合器的性能，从而影响测试数据的有效性。因此，定向耦合器必须具有强力的模式选择特性，以降低寄生模式的影响。同时，在回旋行波管输出的大功率传输链路中，会存在模式变换器、波导弯头、滤波器等多个器件。多个器件的组合使用以及对接时会导致反射过大，从而使得整个传输链路的驻波较大。因此，定向耦合器也必须具有抗驻波的能力。目前，常见的大功率定向耦合器主要有矩形波导型和圆波导型。高博、童玲等人采用两级耦合方式，在保证整体耦合度不变的条件下，实现了扩大矩形波导定向耦合器功率容量，提高定向耦合器峰值功率(《一种大功率微波矩形波导定向耦合器》，专利申请号：201510267998.6，作者：高博，田雨，童玲，严嘉斌。)。但是这种大功率微波矩形波导定向耦合器的工作模式为TE11模。在工作模式为圆波导TE01模的情况下，需要专门的模式变换器，从而会使得整个功率测试系统结构复杂。为了解决这一问题，曾旭等人提出一种基于圆波导结构的回旋行波管微波功率测量的定向耦合器(《一种用于回旋行波管微波功率测量的定向耦合器及用于该定向耦合器的制造方法》，专利申请号：201610586421.6，作者：曾旭，王峨峰，冯进军，李安。)。通过在圆波导内腔和方波导内腔之间设置若干耦合孔，可以实现对工作模式进行检测。但是设计为三端口器件，其主波导输入与输出具有方向要求。因而只能进行正向检测，不具备反向检测功能。为此，徐勇等使用过模波导结构，提出了一种适用于大功率传输的宽带波导定向耦合器的设计方法(《一种过模圆波导宽带定向耦合器及其设计方法》，专利申请号：201410775446.1，作者：徐勇，罗勇，夏建波，王丽，王建勋等人。)。由于主副波导均采用过模波导结构，使得主波导内工作模式与副波导内的TE10模传播常数保持一致，因而设计的定向耦合器工作频带宽。同时，由于定向耦合器的结构具有对称性，对输入输出没有方向性要求，可以实现双向监测。但是，由于主波导只是采用普通的圆波导，没有实现高方向性(设计实例中方向性约25dB)。此外，圆波导存在简并模的特性，也使得定向耦合器的模式选择特性较弱。
技术实现思路
针对现有大功率毫米波定向耦合器存在的功率容量不高、方向性不高等不足以及大功率毫米波传输系统需要的高模式选择特性、抗驻波等要求，本专利技术提出一种基于过模四极主波导结构的TE01定向耦合器技术方案。本专利技术采用的具体技术方案如下：一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器，包括过模四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以及通过一排耦合圆孔与过模四极主波导凸起部分连通的副波导。所述输入过渡段、输出过渡段将圆波导过渡为过模四极主波导，其变化方式可以为线性过渡，也可以为非线性过渡。实现圆波导中TE01模转化成四极波导中TE01模的高效转换。所述过模四极主波导横截面的半径变化函数R表达式为：R＝r0+a1cos(4t)，其中r0为平均半径，a1为扰动系数，考虑主波导的功率容量问题，r0不易过小以避免发生功率击穿。所述主波导内可传播的模式分布由扰动量a1决定。较圆波导而言，四极波导中的模式与模式之间间隔宽。通过工作模式的不同，选择合适的扰动量a1，将工作模式与非工作模式的间隔尽可能地隔开，以实现对工作模式最大化的耦合的同时，抑制非工作模式的输出。所述副波导为非标准过模矩形波导，其两端对称设置过模矩形E面弯波导以改变副波导激励起的TE10模的传播方向，方便器件的加工与安装。后接的矩形波导过渡段，将非标准过模矩形波导转变成标准矩形波导，方便与测试仪器连接。与主波导输出端口同侧的端口为耦合端口，而与主波导输入端口同侧的端口为隔离端口。所述副波导的窄边尺寸b与工作频段对应的标准矩形波导相同，宽边a的确定方式为：调节副波导宽边尺寸，使得在工作频带内的任意频点处，副波导中工作模式TE10模的相位常数β2与主波导中工作模式TE01模的相位常数β1相同。副波导采用非标准过模矩形波导，能够达到拓宽工作频带宽度，减小频带内耦合度波动的作用。所述耦合圆孔将主波导传输的电磁波部分耦合到副波导。耦合圆孔的最大半径和高度具体由定向耦合器的耦合度确定。耦合强度要求越大，半径越大、耦合圆孔的高度越低。耦合圆孔的数目由工作带宽和方向性确定。一般说来，工作频带要求越宽，方向性越高，耦合圆孔数目的需要就越多。所述耦合圆孔采用等间距排布，其半径变化可以是等孔径分布、切比雪夫分布、二项式分布等。根据多孔耦合的方式和相位叠加原理，使副波导中的前向波满足同向叠加条件，反向波满足反向抵消条件，可以求得耦合圆孔之间的间距d。具体确定方式如下：当使耦合模在正向增强时，有当使耦合模在反向相消时，有其中λ01为过模四极主波导内TE01模式的波导波长，λ10为副波导内TE10模式的波导波长，为影响因子。由于选择正向增强时得到的孔间距过大，不利于实际加工，因而选取反向相消的情况计算得到d。所述过模矩形E面弯波导的轴线为四分之一圆弧，且TE10模式在端口反射低于-30dB。矩形波导过渡段的实现方式可以采用线性过渡或非线性过渡的方式，且在工作频带内驻波应小于1.05。专利技术的定向耦合器的工作原理如下：从前端输入的大功率毫米波以TE01模的方式输入到定向耦合器，经圆-四极波导输入过渡段后，进入基于过模四极主波导结构的功率耦合部分。过模四极主波导中TE01模经存在于四极波导凸起上的耦合圆孔部分耦合到副波导中，而大部分则向前传播，最后经放置在功率耦合部分输出端的四极波导-圆波导的输出过渡段输出。在副波导中激励起TE10模式大部分定向传播到副波导的耦合端口，在高定向性的情况下，只有极少部分TE10模式流向副波导的隔离端口。较圆波导而言，四极波导中模式间隔更宽，有利于高方向性指标的实现。因而，本专利技术的定向耦合器可以将工作模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器，包括过模四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以及通过一排耦合圆孔与过模四极波导凸起部分连通的副波导；所述输入过渡段、输出过渡段将圆波导过渡为过模四极主波导，其变化方式为线性过渡或非线性过渡；所述过模四极主波导横截面的半径变化函数R表达式为：R＝r0+a1cos(4t)，其中r0为平均半径，a1为扰动系数；所述副波导为非标准过模矩形波导，其两端对称设置过模矩形E面弯波导以改变副波导激励起的TE10模的传播方向；过模矩形E面弯波导后接的矩形波导过渡段，将非标准过模矩形波导转变成标准矩形波导；与主波导输出端口同侧的端口为耦合端口，而与主波导输入端口同侧的端口为隔离端口；所述副波导的窄边尺寸b与工作频段对应的标准矩形波导相同，宽边a的确定方式为：调节副波导宽边尺寸，使得在工作频带内的任意频点处，副波导中工作模式TE10模的相位常数β2与主波导中工作模式TE01模的相位常数β1相同；所述耦合圆孔将主波导传输的电磁波部分耦合到副波导。

【技术特征摘要】
1.一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器，包括过模四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以及通过一排耦合圆孔与过模四极波导凸起部分连通的副波导；所述输入过渡段、输出过渡段将圆波导过渡为过模四极主波导，其变化方式为线性过渡或非线性过渡；所述过模四极主波导横截面的半径变化函数R表达式为：R＝r0+a1cos(4t)，其中r0为平均半径，a1为扰动系数；所述副波导为非标准过模矩形波导，其两端对称设置过模矩形E面弯波导以改变副波导激励起的TE10模的传播方向；过模矩形E面弯波导后接的矩形波导过渡段，将非标准过模矩形波导转变成标准矩形波导；与主波导输出端口同侧的端口为耦合端口，而与主波导输入端口同侧的端口为隔离端口；所述副波导的窄边尺寸b与工作频段对应的标准矩形波导相同，宽边a的确定方式为：调节副波导宽边尺寸，使得在工作频带内的任意频点处，副波导中工作模式TE10模的相位常数β2与主波导中工作模式TE01模的相位常数β1相同；所述耦合圆孔将主波导传输的电磁波部分耦合到副波导。2.如权利要求1所述的一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器，其特征在于：所述耦合圆孔采用等间距排布，其半径变化为等孔径分布、或者切比雪夫分布、或者二项式分布。3.如权利要求1或2所述的一种宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴泽威，宋俊逸，王建勋，蒲友雷，蒋伟，陈楷文，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51