一种毫米波多频多模模式激励装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于真空电子学技术领域，涉及一种波导模式激励装置。一种毫米波多频多模模式激励装置，包括：一个圆波导波纹喇叭天线，用于产生HE11模式；一个平‑凸面介质透镜，用于将HE11模式变换为TEM00模式；一个准抛物柱面反射镜，用于将入射的TEM00模式的电磁波汇聚到准抛物柱面的焦点；一个侧壁开孔的同轴谐振腔，用于产生圆极化的高阶模式，并抑制其他杂模；圆波导波纹喇叭天线与平‑凸面介质透镜共线，准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上，同轴谐振腔水平放置，其轴线与圆波导波纹喇叭天线的轴线异面垂直。本发明专利技术的毫米波多频多模模式激励装置，结构紧凑、工作频带宽、调节灵活、扩展方便、激励的模式纯度较高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于真空电子学
，涉及一种波导模式激励装置。
技术介绍
回旋振荡管在毫米波段具有高功率、长脉冲、连续波输出等优点，在毫米波雷达、受控热核聚变的等离子体加热、材料处理和生物医学等领域具有广泛的应用前景。近年来，随着超导磁场技术的进步，回旋振荡管可以实现频率阶跃调谐。该项技术的突破可提高等离子体加热进程的可调节性，显著降低加热装置的研制和生产成本。回旋振荡管采用的高阶工作模式需要经过准光模式变换装置变换为便于传输或直接利用的低阶模式。频率阶跃调谐回旋振荡管要求其中的准光模式变换器能够工作于多个频点，并保证与频率对应的多个模式均实现高效率转换。准光模式变换装置在安装前需进行冷测实验，而冷测实验中需要激励高纯度的圆极化高阶模式TEmn作为待测器件的输入信号。激励圆极化高阶TEmn模式的方法主要有波导腔体激励法和准光学激励法。波导腔体激励法是指采用波导腔体或者探针直接激励，用波导变形引起模式变换，将输入的低阶模式变换为高阶模式。但是，不规则波导腔体的加工难度大，模式纯度较低，频带范围窄，尤其是由TE11变换为TE22,6、TE28,8、TE34,17等极高阶模式时，需要多个模式变换序列，导致器件的轴向尺寸急剧增加。准光学激励法是先将输入模式通过天线系统转换为准平面高斯波束，利用反射镜的聚焦特性将高斯波束耦合至谐振腔，从而激励起高阶旋转TEmn模式。但是传统的准光学激励法利用多个反射镜面将波束耦合至谐振腔，不但系统复杂，装配对准困难，能力损失大，而且仅适用于单一频率，系统构成缺乏灵活性，没有充分发挥准光学方法的宽频带优势。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足及问题，本专利技术提供了一种毫米波多频多模模式激励装置，利用一套器件即可实现工作频带内多个工作频率下激励出多个工作模式的目标，可作为频率可调谐回旋振荡管中准光模式变换装置冷测实验的信号源。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种毫米波多频多模模式激励装置，包括：一个圆波导波纹喇叭天线，用于产生HE11模式；一个平-凸面介质透镜，用于将HE11模式变换为TEM00模式；一个准抛物柱面反射镜，用于将入射的TEM00模式的电磁波汇聚到准抛物柱面的焦点；一个侧壁开孔的同轴谐振腔，用于产生圆极化的高阶模式，并抑制其他杂模；圆波导波纹喇叭天线与平-凸面介质透镜共线，准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上，同轴谐振腔水平放置，其轴线与圆波导波纹喇叭天线的轴线异面垂直。所述的圆波导波纹喇叭天线包括圆波导输入段、模式变换段以及锥形渐变波纹辐射段，波纹喇叭的输入为圆波导TE11模式，通过模式变换段产生TE11和TM11的混合模式HE11，锥形渐变段用于抑制杂模，并产生宽频带的电磁辐射；圆波导波纹喇叭天线由工字型支架固定于平台上。平-凸面介质透镜材质为聚四氟乙烯，介质折射率为1.35，透镜的照明面为凸面，阴暗面为平面。透镜的焦点与波纹喇叭天线的相位中心重合，由透镜支架固定于平台上。准抛物柱面反射镜在垂直方向为准抛物面，在水平方向为光滑柱面，其轮廓方程由等光程原理确定。反射镜的固定装置为一个方向可调节的支架，用于调整反射镜的焦点位置。侧壁开孔的同轴谐振腔采用三段式结构：截止段、均匀段和输出段；截止段采用半径减小的波导使工作模式截止，输出段采用半径增大的波导形成辐射输出，中间的均匀段为同轴谐振腔的主体部分。所述的同轴谐振腔由内导体和外导体组成，内、外导体半径根据所需激励的模式和工作频率共同确定，同轴谐振腔的左侧通过盲法兰封闭，外导体由槽型支架固定于平台上。同轴谐振腔外导体侧壁上的电磁能量耦合结构由m×n个圆形孔构成，其中m为圆周方向孔阵列的行数，n为波导轴向孔阵列的行数，孔的半径为0.5mm，孔的角向间距15°，孔的轴向间距1.2mm。所述的圆波导波纹喇叭天线、准抛物柱面反射镜、同轴谐振腔由以下材料之一制备而成：无氧铜、铝或黄铜。所述的毫米波多频多模模式激励装置的工作频率范围为90～180GHz，采用单一频率工作，每个频点对应一个激励模式。将模式激励装置的工作频率范围划分为以下几个频段：90-105GHz，105-120GHz，120-135GHz，135-150GHz，150-165GHz，165-180GHz。每个工作频段对应一个相应带宽的圆波导波纹喇叭天线，采用不同的频段工作时仅需更换波纹喇叭天线，无需改动其他部件。本专利技术的毫米波多频多模模式激励装置，与现有技术相比，有益效果在于：结构紧凑、工作频带宽、调节灵活、扩展方便、激励的模式纯度较高，可用于频率可调谐回旋振荡管中准光模式变换装置的冷测实验或其他采用圆极化高阶模式工作的装置。附图说明图1为本专利技术实施例中的毫米波多频多模模式激励装置示意图；图2为本专利技术实施例中的圆波导波纹喇叭天线内部结构图；图3为本专利技术实施例中的圆波导波纹喇叭天线模型图；图4为本专利技术实施例中的圆波导波纹喇叭天线E面方向图；图5为本专利技术实施例中的介质透镜结构图；图6为本专利技术实施例中的准抛物柱面反射镜结构图；图7为本专利技术实施例中的同轴谐振腔结构示意图；图8为本专利技术实施例中的同轴谐振腔侧壁耦合孔阵列结构图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本实施例中毫米波多频多模模式激励装置的工作频段为90-105GHz，目标激励模式为TE5,2、TE5,3、TE6,2、TE6,3,。该模式激励装置包括一个毫米波段的圆波导波纹喇叭天线1、一个平-凸面介质透镜2、一个准抛物柱面反射镜3、一个侧壁开孔的同轴谐振腔4，如图1所示。圆波导波纹喇叭天线1由工字型支架固定于平台上。本专利技术提供的模式激励装置，通过圆波导波纹喇叭天线1将输入的标准TE11模式变换为HE11模式，平-凸面介质透镜2将HE11模式变换为波阵面为平面的TEM00模式，准抛物柱面反射镜3利用其特有的聚焦特性将入射的TEM00模式的电磁波束通过耦合孔阵列馈入同轴谐振腔谐振腔4，准抛物柱面反射镜3的焦点位于同轴谐振腔4的焦散面14上，从而激励出旋转的高阶腔体模式。圆波导波纹喇叭天线的工作频带范围为90-105GHz，由圆波导输入段7、模式变换段8以及锥形渐变波纹辐射段9构成，如图2所示。经圆波导输入段7输入的波纹喇叭的信号为圆波导TE11模式，通过模式变换段8产生具有相同截止频率和相速的TE11和TM11模式，构成混合模式HE11。对于小张角的圆锥波纹喇叭天线，其口径辐射场的近场可用圆形喇叭中的场来近似：求解波纹波导散射矩阵并将其代入上式积分即可得到准确的波纹喇叭的辐射方向图。波纹波导壁的表面电抗可表示为以下形式：其中r为波导半径，d为波纹喇叭的槽深，kc＝2π/λc为截止波数，J1和N1分别为第一类和第二类贝塞尔函数，J′1和N′1为其导数。当表面电抗|Z|→∞时，TE11和TM11模式的边界条件等效。此时，满足波纹波导传输混合模式HE11的条件，即：J′1(kcr)N1[kc(r+d)]-N′1(kcr)J1[kc(r+d)]＝0求解上式方程可以得到波导传输HE11模式的槽深，方程近似解为d＝λ/4。波纹喇叭在输入端与TE11模式匹配，槽深为λ/2，在辐射端与HE11模式匹配，槽深为λ/4，过渡段的槽深从λ/2逐渐过渡到λ\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：包括：一个圆波导波纹喇叭天线，用于产生HE11模式；一个平‑凸面介质透镜，用于将HE11模式变换为TEM00模式；一个准抛物柱面反射镜，用于将入射的TEM00模式的电磁波汇聚到准抛物柱面的焦点；一个侧壁开孔的同轴谐振腔，用于产生圆极化的高阶模式，并抑制其他杂模；圆波导波纹喇叭天线与平‑凸面介质透镜共线，准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上，同轴谐振腔水平放置，其轴线与圆波导波纹喇叭天线的轴线异面垂直。

【技术特征摘要】
1.一种毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：包括：一个圆波导波纹喇叭天线，用于产生HE11模式；一个平-凸面介质透镜，用于将HE11模式变换为TEM00模式；一个准抛物柱面反射镜，用于将入射的TEM00模式的电磁波汇聚到准抛物柱面的焦点；一个侧壁开孔的同轴谐振腔，用于产生圆极化的高阶模式，并抑制其他杂模；圆波导波纹喇叭天线与平-凸面介质透镜共线，准抛物柱面反射镜的焦点位于同轴谐振腔的焦散面上，同轴谐振腔水平放置，其轴线与圆波导波纹喇叭天线的轴线异面垂直。2.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：所述的圆波导波纹喇叭天线包括圆波导输入段、模式变换段以及锥形渐变波纹辐射段，波纹喇叭的输入为圆波导TE11模式，通过模式变换段产生TE11和TM11的混合模式HE11，锥形渐变段用于抑制杂模，并产生宽频带的电磁辐射。3.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：平-凸面介质透镜材质为聚四氟乙烯，介质折射率为1.35，透镜的照明面为凸面，阴暗面为平面，透镜的焦点与波纹喇叭天线的相位中心重合。4.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：准抛物柱面反射镜在垂直方向为准抛物面，在水平方向为光滑柱面，其轮廓方程由等光程原理确定。5.根据权利要求1所述的毫米波多频多模模式激励装置，其特征在于：侧壁开孔的同轴谐振腔采用三段式结构：截止段、均匀段和输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：王虎，刘英和，张浩，柴旭，周忠海，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37