一种用于W波段EIO的多路空间功率合成结构的制作方法

一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构
技术领域
1.本发明涉及高功率微波功率合成技术领域，特别是涉及一种用于w波段eio 的多路空间功率合成结构。


背景技术：

2.功率合成技术，就是利用多台干扰机单元发射频率相同，相位符合特定关系的电磁波，使之在空间传播过程中功率相互叠加，从而在一定方向上形成电磁波束，利用空间功率合成技术，等效辐射功率可以达到几十、几百千瓦，甚至兆瓦级，从而实现超远距离侦收和干扰。功率合成的算法思想为n个天线信号，每个信号的初始相位是随机的。各个信号相位的随机性，造成直接合成的效果不理想，达不到干扰所需的功率。为了在合成后获得较大的功率必须进行频率扫描，使信号在扫频过程中的某点合成一个理想值，设定一个门限值限制其输出，即当n个天线合成后的峰值大于或等于n倍的单个信号幅度值时才产生输出。
3.扩展互作用振荡器(英文名eio，extended interaction oscillator的缩写)是一种重要的小型化电真空微波辐射源。它可以有效地工作在毫米波乃至频率更高的太赫兹波段，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功率高等优点。电磁波可以作为能量传输载体进行研究，其在无线能量传输、毫米波成像、微波能武器、微波加热等应用领域具有重要意义。这些应用都对电磁波的功率级别有一定要求，但单个eio器件能够承载的功率有限。因此，如何将多个eio器件输出功率在空间进行合成并有效传输是亟待解决的问题。
4.对于波导功率合成，一般用于固态器件输出的几十瓦功率进行合成，对于输出功率为千瓦级的eio器件来说已不在适用，因此提出空间功率合成。由于 eio输出的高功率模式多为矩形波导te
10
模，该模式不适合空间传输，因此要将该模式变换为准光模式(tem
00
模式)，然后向空间辐射，再进行空间功率合成。在将te
10
转换成tem
00
时，随着电磁波频率逐渐升高至毫米波甚至太赫兹波段时，传统的圆周开槽的波纹波导结构设计模式变换器容易出现毛刺，从而使波纹波导容易被高功率微波击穿，限制了其应用和发展、
5.因此，针对将多个eio器件输出功率在空间进行合成并有效传输的问题，设计一种新的用于w波段eio的多路空间功率合成结构是很有必要的。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中这部分的缺失及不足，本发明提供一种用于w波段eio 的多路空间功率合成结构，采用了光滑波导的结构，当tem00模式在空间传输时，采用极化线栅结构进行空间功率合成。
7.本发明的目的在于提供一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构，包括：多个结构相同的模式变换子模块以及一个功率合成段，其中多个结构相同的模式变换子模块呈一定角度设置，用于对w波段eio输入端口输出的te
10
模式，经多路空间功率合成结构的转换，将多路eio输出的te
10
模式，在空间合成为一个tem
00
模式。
8.进一步地，所述模式变换子模块包括：
9.矩形波导
‑
圆波导段(1)，用于将eio输出的高功率微波从矩形波导向圆波导转化，即实现矩形波导te10向圆形波导te11的转化；
10.圆波导
‑
圆波导半径过渡段(2)，用于实施圆形波导te11向圆形波导te11 的模式变换；
11.圆波导模式变换段(3)，用于实现高斯模式的输出，即圆形波导te
11
向准光模式tem
00
的转换；
12.功率合成段(4)，用于实现多路eio输出的微波功率合成；
13.其中所述矩形波导
‑
圆波导段(1)、所述圆波导
‑
圆波导半径过渡段(2)以及所述圆波导模式变换段(3)顺次连接。
14.进一步地，所述矩形波导
‑
圆波导段(1)、所述圆波导
‑
圆波导半径过渡段(2)、所述圆波导模式变换段(3)采用光滑坡导壁结构。
15.进一步地，所述矩形波导
‑
圆波导段(1)中矩形波导尺寸为：1.25mm*2.54mm，输出圆波导半径为2mm，总长度为10mm。
16.进一步地，所述圆波导
‑
圆波导半径过渡段(2)中输入圆波导半径为2mm，输出圆波导半径为2.7mm，总长度为10mm。
17.进一步地，所述圆波导模式变换段(3)中输入圆波导半径为2.7mm，输出圆波导半径为5mm，总长度为37.6mm。
18.进一步地，所述功率合成段(4)为极化光栅的结构，每一个圆柱金属丝半径0.05mm，长度40mm，圆柱金属丝间距0.15mm，圆柱金属丝数量为150个。
19.进一步地，对所述功率合成段(4)的极化线栅用数值计算的方法对于在空间传输的高斯波束计算功率容量，得出在不发生电击穿的前提下极化线栅允许传输的功率容量理论值。
20.进一步地，所述数值计算的方法为坡印廷矢量公式：
[0021][0022]
其中，ε0是自由空间介电常数，μ0是自由空间磁导率，w0为极化线栅处高斯波束束腰半径，空气击穿场强为e
br
＝30kv/cm，工程上一般考虑系统最大场强不超过空气击穿场强的十分之一，即按照10％e
br
计算。
[0023]
进一步地，所述结构的工作频率为90ghz～100ghz。
[0024]
本发明提供的用于w波段eio的多路空间功率合成结构至少包括如下有益效果：
[0025]
采用模式变换结构将eio输出的微波由te
10
变为tem
00
，有利于后面极化光栅进行功率合成。各个模式变换结构均采用光滑波导壁结构防止高功率的微波打火。
[0026]
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0027]
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些
附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
[0028]
图1为根据本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构示意图；
[0029]
图2为根据本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成模式变换结构示意图；
[0030]
图3为根据本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成功率合成段结构示意图；
[0031]
图4为本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构的微波轨迹图；
[0032]
图5(a)和图5(b)分别为本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构两种工作方式原理示意图；
[0033]
图6为本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构的合成效率和频率关系曲线图；
[0034]
图7为本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构的功率容量随和束腰半径关系曲线图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0037]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0038]
如图1所示，本发明的目的在于提供一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构，包括：多个结构相同的模式变换子模块以及一个功率合成段，其中多个结构相同的模式变换子模块呈一定角度设置，用于对w波段eio输入端口输出的te
10
模式，经多路空间功率合成结构的转换，将多路eio输出的te
10
模式，在空间合成为一个tem
00
模式。
[0039]
模式变换子模块包括：
[0040]
矩形波导
‑
圆波导段1，用于将eio输出的高功率微波从矩形波导向圆波导转化，即实现矩形波导te10向圆形波导te11的转化；
[0041]
圆波导
‑
圆波导半径过渡段2，用于实施圆形波导te11向圆形波导te11的模式变
换；
[0042]
圆波导模式变换段3，用于实现高斯模式的输出，即圆形波导te11向准光模式tem00的转换；
[0043]
功率合成段4，用于实现多路eio输出的微波功率合成；
[0044]
其中矩形波导
‑
圆波导段1、圆波导
‑
圆波导半径过渡段2以及圆波导模式变换段3顺次连接，并且矩形波导
‑
圆波导段1、圆波导
‑
圆波导半径过渡段2、圆波导模式变换段3采用光滑坡导壁结构。
[0045]
参见图2，作为本发明的一种优选实施例，矩形波导到圆波导的转化 te
10
‑
te
11
，矩形波导尺寸为：1.25mm*2.54mm，输出圆波导半径为2mm，总长度为10mm。从而限制小型化宽带准光模式变换器尺寸。
[0046]
作为本发明的一种优选实施例，圆波导
‑
圆波导半径过渡段，输入圆波导半径为2mm，输出圆波导半径为2.7mm，总长度为10mm。
[0047]
作为本发明的一种优选实施例，圆波导模式变换段，输入圆波导半径为 2.7mm，输出圆波导半径为5mm，总长度为37.6mm。
[0048]
参见图3，作为本发明的一种优选实施例，功率合成段极化光栅的结构，每一个圆柱金属丝半径0.05mm，长度40mm，圆柱金属丝间距0.15mm，圆柱金属丝数量为150个。
[0049]
参见图4所示为用于w波段eio的多路空间功率合成结构的微波轨迹图，其中清晰展示功率合成结构下微波合成过程中的轨迹。
[0050]
图5(a)和图5(b)分别为本发明实施例提供的一种用于w波段eio的多路空间功率合成结构两种工作方式原理示意图，将多路功率合成空间结构进行不同的复制，形成不同形式的多路功率空间合成。图5(a)为第一种工作原理，即各个单元均为多路eio输出的微波，分别通过矩形波导
‑
圆波导段1、圆波导
‑
圆波导半径过渡段2以及圆波导模式变换段3的模式转换后各自进行功率合成，最后集中通过一个总的功率合成段实现总的功率合成，各个单元之间形成并联关系。图5(b)为第二种工作原理，即各个单元均为多路eio输出的微波，分别通过矩形波导
‑
圆波导段1、圆波导
‑
圆波导半径过渡段2以及圆波导模式变换段3的模式转换，最后集中通过一个总的功率合成段实现总的功率合成，各个单元之间形成串联关系，设置功率合成段的数量减少。
[0051]
参见图6，作为本发明的一种优选实施例，利用三维电磁仿真软件对本实施例提供的w波段eio的多路空间功率合成结构进行仿真，仿真得出微波轨迹图如图6所示，仿真获得合成效率和频率关系如图7所示。在工作频带内 (90ghz～100ghz)，本发明所提供w波段eio的多路空间功率合成结构合成效率均大于90％，在90ghz～100ghz的频带内都可以使用。
[0052]
作为本发明的一种优选实施例，对功率合成段4的极化线栅利用微波工程技术中通用的坡印廷矢量公式，用数值计算的方法得出在不发生电击穿的前提下极化线栅允许传输的功率容量理论值。对于在空间传输的高斯波束，用(1) 式计算功率容量。其中，ε0是自由空间介电常数，μ0是自由空间磁导率，w0为极化线栅处高斯波束束腰半径。空气击穿场强为e
br
＝30kv/cm，工程上一般考虑系统最大场强不超过空气击穿场强的十分之一，即按照10％e
br
计算。
[0053][0054]
从图7中曲线可知：随着高斯波束束腰半径的不断增大，功率容量也不断升高，达到了百千瓦级，从而能够满足eio输出功率不断提高的需求。
[0055]
本实施例用于w波段eio的多路空间功率合成结构至少包括如下有益效果：采用模式变换结构将eio输出的微波由te
10
变为tem
00
，有利于后面极化光栅进行功率合成。各个模式变换结构均采用光滑波导壁结构防止高功率的微波打火。
[0056]
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。