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高功率微波TM01模式移相器*

趙雪龍，袁成衛(wèi)，劉列，彭升人，白珍，蔡丹

(國防科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410073)

摘要：研制了一種新型的TM01模式高功率微波移相器，這種移相器通過兩個(gè)十字交叉圓極化器結(jié)構(gòu)可以將高功率微波輸出相位進(jìn)行0°～360°的調(diào)節(jié)。對構(gòu)成這種移相器的TE11圓極化器及移相器的電磁特性通過電磁仿真軟件CST進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明此移相器可以對1.75GHz的TM01模式進(jìn)行0°～360°調(diào)節(jié)，并且誤差不超過1°，在0°～360°調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的傳輸效率均大于97%，且功率容量大于4.3GW。

關(guān)鍵詞：高功率微波；功率合成；模式轉(zhuǎn)換；移相器

隨著高功率微波技術(shù)(High Power Microwave,HPM)的發(fā)展，研究人員在輸出微波功率方面做了大量的工作。即使很多微波源的輸出功率已經(jīng)達(dá)到GW級(jí)的水平，但是在很多應(yīng)用方面，仍然難以滿足應(yīng)用需要。為了獲得更高功率的微波輸出，功率合成技術(shù)的研究很有必要。而運(yùn)用高功率微波相位控制的空間功率合成是產(chǎn)生更高微波功率輸出的有效途徑之一。移相器是改變微波相位應(yīng)用于功率合成的關(guān)鍵部件。在常規(guī)微波功率合成技術(shù)中，移相器發(fā)展非常成熟，主要應(yīng)用的有兩種，分別是鐵氧體移相器[1]和二極管移相器[2]。然而這些移相器受限于其功率容量較低[3]，傳統(tǒng)的移相器功率容量只有幾千瓦[1-2]，但是在高功率微波領(lǐng)域，需要移相器具有最少百兆瓦以上的功率容量，所以傳統(tǒng)移相器只能應(yīng)用于雷達(dá)和通信，并不能直接應(yīng)用于高功率微波領(lǐng)域。移相器直接應(yīng)用于高功率微波的報(bào)道很少，文獻(xiàn)

[4]中工作頻率為15.2GHz矩形波導(dǎo)寬邊可調(diào)移相器在1W的TE10模式微波注入情況下，最高場強(qiáng)達(dá)到9.72kV/m，在真空環(huán)境下，估計(jì)功率容量可以達(dá)到112.9MW。目前很多高功率微波源輸出模式為TM01模式，但用于對輸出的TM01模式微波直接進(jìn)行相位調(diào)節(jié)并合成的移相器還未見報(bào)道。趙雪龍等設(shè)計(jì)了一種具有高功率容量、高傳輸效率的TM01模式移相器，并通過電磁仿真方法進(jìn)行了驗(yàn)證，TM01模式移相器的實(shí)現(xiàn)為高功率微波的功率合成提供了一種選擇。

1分析和仿真

TM01移相器由兩個(gè)相同的TE11模式圓極化器[5]軸向反接構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　TM01移相器結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of TM01phase shifter

其中，每一個(gè)TE11圓極化器單獨(dú)仿真時(shí)，注入模式為TM01，輸出模式主要成分為兩個(gè)正交極化的TE11模式。圖2(a)為兩個(gè)正交極化的TE11模式的透射系數(shù)S21隨頻率變化曲線(其中括號(hào)中的1,2,3分別代表空心圓波導(dǎo)的前三個(gè)模式：TM01和兩個(gè)正交極化的TE11)。從圖2(a)中可以看出，輸出模式在中心頻點(diǎn)處為兩個(gè)簡并的TE11模式，極化方向互相垂直，兩個(gè)TE11模式在中心頻點(diǎn)1.75GHz處S21均在0.7左右，說明輸出模式中其他模式所占比例可以忽略不計(jì)。圖2(b)為圓極化器輸出兩個(gè)簡并TE11模式相位隨頻率變化曲線，從圖2(b)中可以看出兩個(gè)簡并TE11模式在中心頻點(diǎn)1.75GHz處相位差在90°左右。根據(jù)所得到的兩個(gè)極化方向輸出TE11模式的S21和相位，可以得到圓極化器輸出TE11模式的軸比AR[6]為：

(a)S21曲線(a)S21curves

(b)相位曲線(b)Phase curves圖2　圓極化器輸出正交極化TE11模式曲線Fig.2　Curves of orthogonal polarized TE11modes ofoutput microwave from circularly polarized converter

圖3　圓極化器輸出TE11模式軸比Fig.3　Axial ratio of output TE11mode

圖3為軸比隨頻率變化曲線，從圖3中可以看出在中心頻點(diǎn)1.75GHz處的軸比為1.02，且在1.6GHz～1.9GHz處的軸比小于1.35。

將兩個(gè)圓極化器沿軸向反向連接在一起，通過角向旋轉(zhuǎn)改變兩圓極化器所成角度，即可以對輸出微波的相位進(jìn)行調(diào)整。

TM01模式移相器具體工作過程如圖4所示，圓極化器將輸入的TM01模式(圖4A)通過十字正交臂功分端轉(zhuǎn)化四個(gè)幅度相等的矩形波導(dǎo)TE10模式，通過調(diào)整十字正交臂四個(gè)臂的長短使輸出TE10模式分別有90°的相移，再將四個(gè)具有90°相移的TE10模式通過十字正交臂的功合端合成輸出圓波導(dǎo)圓極化TE11模式(圖4B)，圓極化TE11模式再通過另一個(gè)相同的反向連接的TE11圓極化器轉(zhuǎn)化為TM01模式(圖4C)輸出，在這個(gè)過程中，通過角向扭轉(zhuǎn)兩個(gè)圓極化器，即可以獲得與扭轉(zhuǎn)角度相等的相對移相度數(shù)。

圖4　移相器中兩圓極化器扭轉(zhuǎn)相對角度60°電場分布圖Fig.4　Electric field distribution of phase shifter whenrelatively rotation angle of two polarized TE11converter is 60°

圖5為TM01移相器傳輸效率隨相對扭轉(zhuǎn)角度的變化曲線，每隔10°扭轉(zhuǎn)1次。從圖5中可以看出，在扭轉(zhuǎn)210°時(shí)傳輸效率最大，達(dá)到99.75%，在扭轉(zhuǎn)290°時(shí)，傳輸效率最小為97.25%，傳輸效率均大于97%。

圖5　TM01移相器傳輸效率隨相對扭轉(zhuǎn)角度的變化曲線Fig.5　Transmission efficiency curve of TM01phaseshifter with the change of relative rotation angle

圖6為TM01移相器相對相移度數(shù)隨相對扭轉(zhuǎn)角度的變化曲線，從圖6中可以看到，相移度數(shù)隨兩個(gè)圓極化器相對扭轉(zhuǎn)角度的線性變化呈線性變化，且與相對扭轉(zhuǎn)角度基本一致，誤差在1°以內(nèi)。

圖6　TM01移相器相對相移度數(shù)隨相對扭轉(zhuǎn)角度變化曲線Fig.6　Phase shift degrees curve of TM01phase shifterwith the change of relative rotation angle

2結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于高功率微波的TM01移相器，介紹了移相器的構(gòu)成，并對移相器移相性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示，在中心頻率為1.75GHz情況下，移相器能夠使微波輸出相位隨著兩個(gè)圓極化器相對扭轉(zhuǎn)角度的線性變化而改變，且基本與扭轉(zhuǎn)角度相等，誤差在1°范圍內(nèi)；傳輸效率在0°～360°相移過程中均大于97%，且功率容量均大于4.3GW，符合高功率微波移相器設(shè)計(jì)要求；這種移相器的設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)高功率微波的功率合成提供了一種選擇。

參考文獻(xiàn)(References)

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TM01mode phase shifter for high power microwave

ZHAOXuelong,YUANChengwei,LIULie,PENGShengren,BAIZhen,CAIDan

(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：A novel TM01 mode high power microwave phase shifter is proposed which is composed of two crossed circularly polarized TE11mode converter. The phase of the output microwave can be adjustable in a range of 0°~360°. The electromagnetic behaviors of the circularly polarized TE11mode converter and the phase shifter are simulated by the software CST. The results show that the output microwave can be adjustable in a range of 0°~360°at the frequency of 1.75GHz with the error is not more than 1 °, the transmission efficiency in this range is larger than 97%, and the power capacity is larger than 4.3GW.

Key words：high power microwave; power combination; mode converter; phase shifter

中圖分類號(hào)：TN814

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2015)02-040-03

收稿日期：2015-01-09基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11305263)

作者簡介：趙雪龍(1987—)，男，遼寧朝陽人，博士研究生，E-mail：longlongfeiyue123@163.com；袁成衛(wèi)(通信作者)，男，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：ehfz_ycw@163.com

doi:10.11887/j.cn.2015020010

http://journal.nudt.edu.cn