專利名稱：一種超材料模式轉換器的制作方法
技術領域：
本發明屬于微波傳輸及微波天線技術領域，具體涉及一種超材料模式轉換器，本發明可以應用于高功率微波技術領域的傳輸與發射系統。
背景技術：
超材料(Metamaterials)是指運用人工工程方法構建出的具有一般天然材料所不具備的超常性質的材料。一般由金屬、介質材料或者二者結合的特殊結構作為陣元，通過精心設計排布各陣元獲得一般傳統材料所不能獲得的物理性質。與一般材料不同，超材料的性質不是由它的材料化學組分決定，而是由它的幾何結構所決定；其陣元形狀、尺寸、指向及排布方式等 均會對通過其中的電磁波、聲波等波動的傳播產生奇特的影響。刻畫超材料電磁學特性的參數如介電常數、磁導率及折射率等表現出一般天然材料所不具備的奇特性質，如負介電常數、負磁導率和負折射率等等。電磁超材料的本質就是通過對陣元及其排布方式的精心設計，達到操控材料電磁特性參數的目的。由于材料特性的“可操控性”，其在微波頻段得到了廣泛的研究和應用，如電磁隱身、賦形天線、濾波器等等。高功率微波(High Power Microwave, HPM)是指峰值功率大于100MW,頻率介于IGHz到300 GHz之間的電磁波。它是本世紀70年代以來隨著脈沖功率技術、相對論電子學和等離子體物理等學科的發展而發展起來的一個新的研究領域。隨著等離子體技術、脈沖功率技術的進步以及復雜PIC模擬工具的發展，高功率微波技術也迅速地發展起來，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了極大的進展，先后出現了很多種不同類型的高功率微波源。大多數高功率微波源如軸向提取的虛陰極振蕩器、相對論返波管、磁絕緣線振蕩器、三腔渡越時間振蕩器、多波契倫克夫發生器等都具有旋轉對稱的慢波結構，其微波輸出模式多為圓波導或同軸波導軸對稱模。由于其輸出端口的口徑場分布具有圓對稱性，這些模式直接輻射會得到環狀的遠場方向圖，輻射場能量分散，不利于高功率微波定向輻射。為了得到方向集中的微波輻射，需要設計軸對稱模式集中輻射天線。目前在緊湊型高功率微波源設計方面應用得比較成功的軸對稱模式集中輻射天線設計方案是模式轉換器和輻射喇叭的結構。名稱為“同軸插板式TEM-TE11模式轉換器的設計與實驗研究”的文章(強激光與粒子束，2005年第17卷第6期，p897)提出一種插板式模式轉換器，將同軸波導分成相速度不等的多個扇形波導分區，利用微波在各分區內相速度不同來實現模式轉換。但是由于電磁波在各分區之間相速度差值有限，要實現TEM-TE11的模式轉換需要很長的系統結構。為了縮短插板式結構的長度，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移相相結合的結構，移相介質的引入使模式轉換器長度大為減小，但是功率容量問題仍然是該類結構的瓶頸。因此需要設計功率容量更高的緊湊型模式轉換器，促進高功率微波源的實用化
發明內容
為了使模式轉換器既能實現模式轉換功能，又能具有較高的功率容量，同時還能做到結構緊湊，本發明提供了一種新型的超材料模式轉換器。該模式轉換器能實現TEM/模到模的模式轉換，且結構緊湊，功率容量高。本發明采用如下技術方案:一種超材料模式轉換器，包括內導體、外導體和超材料，所述內導體為圓柱形，外導體為圓筒形，內導體插入外導體之中并同軸心；所述超材料由金屬陣元沿軸向周期排布構成并連接在外導體的內壁上。在上述技術方案中,所述轉換器沿微波傳播方向分為輸入口、模式轉換區、輸出口三部分。在上述技術方案中，所述超材料位于模式轉換區內。在上述技術方案中，所述超材料周期性排列的多組金屬陣元將模式轉換區中的內導體、外導體組成的同軸波導沿圓周方向分成相等的兩個區域。在上述技術方案中，所述金屬陣元由幾何形狀的柵格沿圓周方向周期排布于約180度范圍內構成 在上述技術方案中，超材料的金屬陣元周期數根據需要可調。在上述技術方案中，所述內導體、外導體的尺寸可調。在上述技術方案中，所述輸入口沒有內導體。在上述技術方案中，所述輸出口沒有內導體。在上述技術方案中，所述輸入口、輸出口均沒有內導體。本發明的優點在于:本發明的模式轉換器結構緊湊，具有較高的功率容量，可以在不增加系統橫向尺寸的前提下在約1/3個波長的長度內完成模式轉換，能很好地應用于體積小、質量輕的緊湊型窄帶高功率微波傳輸與發射系統。
本發明將通過實施例并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發明橫截面試 圖2是本發明的實施例一的剖視 圖3是本發明的實施例二的剖視 圖4是本發明的實施例三的剖視 圖5是本發明的實施例四的剖視 其中，I是外導體2是內導體3是超材料。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明。如圖1所示，本發明主要由外導體1、內導體2、超材料3三部分組成，外導體I和內導體2均有傳導率高、損耗低的金屬組成，一般采用不銹鋼或者銅或鋁；外導體I為圓筒形，內導體2為圓柱形，內導體2置于外導體I之內，并且兩者同軸心，超材料3由金屬陣元沿軸向周期排布構成并和外導體I的內壁連接在一起。如圖2所述，轉換器沿微波傳播方向分為輸入口、模式轉換區、輸出口三部分，超材料3位于模式轉換區內，超材料3的金屬陣元的周期數目根據實際需要是可調的，金屬陣元由幾何形狀的柵格沿圓周方向周期排布于約180度范圍內，幾何形狀可以是三角形、方形、扇形等形狀；柵格由橫截面為方形、圓形或其他形狀的金屬桿構成，金屬桿長度、大小、排布周期等尺度均可調。超材料周期性排列的多組金屬陣元將模式轉換區中內、外導體組成的同軸波導沿圓周方向分成大致相等的兩個區域；其中一個區域內分布有的金屬周期陣元，形成扇形波導內的移相超材料；另一個區域內為扇形波導；兩個區域之間可以在相交邊界上通過金屬板分開，也可以不設置金屬板分隔。在整個模式轉換器中，模式轉換區為沿圓周方向分布不同介電常數材料的同軸波導結構；輸入口和輸出口既可以為同軸波導結構，也可以為空心圓波導結構，內、夕卜導體尺寸在三個功能區域可調。本發明的模式轉換器的工作原理是:TEM模式或模式的微波通過輸入口進入模式轉換器，以TEM模進入模式變換區；TEM的微波模在模式轉換區沿角向被分成兩部分，一部分沿移相超材料區域傳播，另一部分沿扇形波導區域傳播。在同等傳輸距離，由于微波在兩個區域相速度不同，兩個區域微波會產生一定相位差；選擇恰當的傳輸距離使兩個區域的微波在到達模式轉換區末端時產生180度的相位差，從而兩部分微波在模式轉換區末端合成同軸波導中的模式，然后經由輸出口向下游傳輸。實施例1:
如圖2所示，在轉換器內每排金屬陣元由兩根半圓弧形金屬桿及七根沿半徑方向的直金屬桿構成十二個扇形柵格沿圓周方向周期排布構成；在本實施例中，內導體半徑68mm,外導體半徑106mm ;金屬陣元軸向周期為20mm ;在模式轉換區中，每排金屬陣元中的柵格張角相等均為30度；每排陣元分布于角向180度范圍之內；半圓弧形金屬桿及直金屬桿橫截面均為正方形，邊長為4mm ;兩根半圓弧形金屬桿中心半徑分別為85mm和94.5mm。在仿真計算中，該模式轉換器在中心頻率1.53GHz上轉換效率為97%，功率容量為2.5GW，模式轉換區軸向長度約為0.33 個微波波長。實施例2:
如圖3所示，本實施例與實施例1的基本結構相同，不同之處是輸出口無內導體，用于匹配連接空心波導傳輸結構。在本實施例中，內導體半徑68mm,夕卜導體半徑106mm ;模式轉換區中，金屬陣元軸向周期為20mm ;每排金屬陣兀中的柵格張角相等均為30度；每排陣兀分布于角向180度范圍之內；半圓弧形金屬桿及直金屬桿橫截面均為正方形，邊長為4_ ;兩根半圓弧形金屬桿中心半徑分別為85mm和94.5mm ;模式轉換區后內導體為錐形結構,其頂端半徑為40mm,長度為20mm，該模式轉換器在中心頻率1.54GHz上轉換效率為96%，功率容量為2.5GW，模式轉換區軸向長度約為0.33個微波波長。實施例3:
如圖4所示，本實施例與實施例1的基本結構相同，不同之處是輸入口無內導體，用于匹配連接空心波導傳輸結構。在本實施例中，內導體半徑68mm,外導體半徑106mm ;模式轉換區前內導體為錐形結構，其頂端半徑為40mm,長度為20mm ;模式轉換區中，金屬陣元軸向周期為20mm ;每排金屬陣兀中的柵格張角相等均為30度；每排陣兀分布于角向180度范圍之內；半圓弧形金屬桿及直金屬桿橫截面均為正方形，邊長為4mm ;兩根半圓弧形金屬桿中心半徑分別為85mm和94.5mm。該模式轉換器在中心頻率1.54GHz上轉換效率為96%，功率容量為2.5GW，模式轉換區軸向長度約為0.33個微波波長。實施例4:
如圖5所不,本實施例與實施例1的基本結構相同,不同之處是輸入口與輸出口均無內導體，用于匹配連接空心波導傳輸結構。在本實施例中，內導體半徑68mm,外導體半徑106mm ;模式轉換區前后內導體均為錐形結構，其頂端半徑為20mm,長度為60mm ;模式轉換區中，金屬陣元軸向周期為20mm ;每排金屬陣元中的柵格張角相等均為30度；每排陣元分布于角向180度范圍之內；半圓弧形金屬桿及直金屬桿橫截面均為正方形，邊長為4_ ;兩根半圓弧形金屬桿中心半徑分別為85mm和94.5mm。該模 式轉換器在中心頻率1.52GHz上轉換效率為95%，功率容量為2.5GW,模式轉換區軸向長度約為0.33個微波波長。本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種超材料模式轉換器，其特征在于包括內導體、外導體和超材料，所述內導體為圓柱形，外導體為圓筒形，內導體插入外導體之中并同軸心；所述超材料由金屬陣元沿軸向周期排布構成并連接在外導體的內壁上。
2.根據權利要求1所述的一種超材料模式轉換器，其特征為所述轉換器沿微波傳播方向分為輸入口、模式轉換區、輸出口三部分。
3.根據權利要求2所述的一種超材料模式轉換器，其特征在于所述超材料位于模式轉換區內。
4.根據權利要求3所述的一種超材料模式轉換器，其特征為所述超材料周期性排列的多組金屬陣元將模式轉換區中的內導體、外導體組成的同軸波導沿圓周方向分成相等的兩個區域。
5.根據權利要求1所述的一種超材料模式轉換器，其特征在于所述金屬陣元由幾何形狀的柵格沿圓周方向周期排布于約180度范圍內構成。
6.根據權利要求5所述的一種超材料模式轉換器，其特征為超材料的金屬陣元周期數根據需要可調。
7.根據權利要求2所述的一種超材料模式轉換器，其特征為所述內導體、外導體的尺寸在可調。
8.根據權利要求7所述的一種超材料模式轉換器，其特征為所述輸入口沒有內導體。
9.根據權利要求7所述的一種超材料模式轉換器，其特征為所述輸出口沒有內導體。
10.根據權利要求7所述的一種超材料模式轉換器，其特征為所述輸入口、輸出口均沒有內導體。
全文摘要
本發明公開了一種超材料模式轉換器，屬于微波傳輸領域，該轉換器包括內導體、外導體和超材料，所述內導體為圓柱形，外導體為圓筒形，內導體插入外導體之中并同軸心；所述超材料由金屬陣元沿軸向周期排布構成并連接在外導體的內壁上；內、外導體的尺寸可調，超材料的金屬陣元周期數、尺寸可調；本發明的模式轉換器結構緊湊，具有較高的功率容量，可以在不增加系統橫向尺寸的前提下在約1/3個波長的長度內完成模式轉換，能很好地應用于體積小、質量輕的緊湊型窄帶高功率微波傳輸與發射系統。
文檔編號H01P1/16GK103219567SQ20131012039
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月9日 優先權日2013年4月9日
發明者秦奮, 王冬 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所