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[摘 要]高功率微波主要是指峰值功率大于100MW，同时频率保持在1～30GHz之间的电磁波。上个世纪70年代，高功率微波技术基于脉冲功率技术所发展，高功率微波被广泛应用于国内国防及民用方面，比如定向能武器及聚变等离子体电子回旋谐振加热及强功率微波射束等。高功率微波技术的飞速发展主要依于该项技术的广泛应用，高功率微波系统中模式转换器直接影响着高功率微波传输及发送与测量。本文分析了矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器，并提出实用性设计核心构架。
[关键词]高功率微波；过模波导；模式转换器
中图分类号：TN814 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0347-01
高功率微波技术水平的持续提升，人们对高功率功分器提出更高的要求。传统微波技术领域中功分器属于常见微波元件，具备诸多实现方式，同时相关研究及应用也十分广泛，不过对矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器设计方面研究较少，它是高功率微波测试系统中的核心元件。因此分析矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器设计对国内波导应用有着极大现实意义。
一、矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器概述
矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器可以说是一种两端口波导结问题。为了能够提升波导传输功率容量且降低传输损耗，一般是运用过模圆波导传输方案，由于波导尺寸提升则可增加功率容量，同时降低波导衰减。高功率微波测试中则应设计矩形波导到过模圆波导模式转换器，从而把矩形波导主模转变为过模圆波导主模。不过因为过模波导中可允许诸多模式同时进行传输，这就使得模式转换器设计较为困难。
国内外诸多学者对矩形波导到圆波导的模式转换器进行了深刻研究，学者们大都是运用孔径耦合和渐变过渡方式进行分析，有的学者提出矩形波导到圆波导的这两种模式双工器，把圆波导分别连接到矩形波导过渡转换器，也有学者提出把两路矩形波导转换成圆波导耦合器，此结构耦合方式主要运用圆孔耦合，其结构非常复杂。这些矩形波导到圆波导转换主要是分析传统微波领域中的具体应用，设计方案未全方位考虑高功率运用所提出的各方面需求。高功率需求下，有学者提出并设计了矩形波导到高功率过模矩形波导组成，从而使得输入及输出成为垂直结构，不过都只是实现了圆波导到一路矩形波导转换。
本文构建了模式转换器N端口波导结全波分析模型，同时计算出了模式转换器反射系数，给出了良好的优化设计方法，优化设计加工出X波段低反射，其结构非常紧凑，电场极化是垂直方向，并且对矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器进行了具体测量，最终得出测量结果及仿真结果差异不大，此模式转换器可运用于高功率微波测试系统中。
二、波导结全波分析
矩圆模式转换器可以说是一种两端口波导结问题，通常是对端口波导结问题进行分析时，则运用有限元方式展开模式转换器全波分析及数值计算。如图一所示，N端口波导结。图中波导结能够和矩形波导及圆波导互相连接，同时加载为任意形状介质。则表示第n个波导端口横截面，S表示区域中金属表面。
本文运用有限元方式，通过求解矩阵方程得到反射波幅度。同时基于有限元方式数值仿真软件得到波导结模型且精确求解，最后得到模式转换器反射系数。
三、设计及测量
1、设计
矩圆波导模式转换器主要完成矩形波导主模至圆波导主模转换。如图二所示，矩圆波导模式转换器。图中矩圆波导模式转换器利用矩形波导截面变形为圆波导截面来实现。其间关键参数为矩形波导宽边及窄边，圆波导半径R，模式转换器轴向长则为L，过渡段张角为α己直圆波导段长度为d。
模式转换器优化设计方式：第一，改变过渡段张角进行模式转换器优化，从而使得α值最优化；第二，按照α值计算模式转换器轴向长度初步数值，初值附近开始优化模式转换器，最终确定L最优值；第三，调整d值而使得圆波导口面极化方向是垂直方向。
使用上述方式设计中心频率为8.4GHz矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器。圆波导口面半径为25毫米，矩形波导口面宽边为40毫米，其间窄边为16毫米，直圆波导段为9.5毫米。具体而言，具体应用时则模式转换器轴向长度应适当，不宜过长，同时反射系数小则模式转换器性能越好。
经实验可得：L处于85.5～100.5毫米之间时，则模式转换器反射系数变化较大，若L为95.5毫米则反射系数是最小值，这时的模式转换器性能则最好。为了具体应用方便则应有效调整直圆波导段长度，从而使得圆波导口面电场计划方向是垂直方向。通过连续调节直圆波导段长度得到d为8.5毫米时则圆波导口面电场极化方向是垂直方向。
最终按照优化设计确定出模式转换器尺寸，从而构建计算模型仿真。结果显示，频率为8.4GHz则模式转换器驻波不大于1.03，同时模式转换器圆波导口面电场极化方向是垂直方向。最终可得优化设计矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器可以充分满足反射系数小的要求，电场极化方向是垂直方向，同时长度也较短，这样也便于具体应用。
2、测量
具体加工矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器，其间一端和同轴到矩形波导模式转换器互相连接，将同轴及矢量网络分析仪器连接以有效测量驻波。
总而言之，N端口波导结全波分析模型理论分析及模式转换器反射系数计算是转换器设计的关键。本文给出一种有效的设计优化方式，合理解决了矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器设计中所存在的难点，优化设计加工为频率8.4GHz低反射，其结构非常紧凑且电场极化是垂直方向矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器。测量结构及仿真结果差异小，同时证明了此设计方式可行性高，此模式转换器可充分应用于高功率微波天线测试系统中。
结束语
本文建立了模式转换器N端口波导结全波分析模型，同时计算了模式转换器反射系数，给出良好效果的优化设计方法。科学有效的优化了设计X波段矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器，该转换器结构紧凑且反射系数小，电场极化是垂直方向，通过仿真实验得出该设计方法可行性高。
参考文献
[1] 马军，王弘刚，杜广星，钱宝良.矩形波导TM11-TE10模式转换器的初步设计[J].强激光与粒子束，2014（6）.
[2] 门满洲，李相强，张健穹，刘庆想.高功率1分32路功率分配网络的设计[J].电子元件与材料，2013（6）.
[3] 张健穹，刘庆想，李相强，王邦继.高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器[J].强激光与粒子束，2014（9）.
[4] 龚云峰，谢拥军，蒋永辉，雷斐然.矩形波導到高功率过模圆波导模式转换器的设计[J].电子器件，2010（2）.
作者简介
尹琴，1979年02日，女，汉，安徽金寨，2003年毕业于皖西学院电气技术专业 专科，现工作于中国电子科技集团公司第38研究所，研究方向：雷达天线馈线系统。
[关键词]高功率微波；过模波导；模式转换器
中图分类号：TN814 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0347-01
高功率微波技术水平的持续提升，人们对高功率功分器提出更高的要求。传统微波技术领域中功分器属于常见微波元件，具备诸多实现方式，同时相关研究及应用也十分广泛，不过对矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器设计方面研究较少，它是高功率微波测试系统中的核心元件。因此分析矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器设计对国内波导应用有着极大现实意义。
一、矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器概述
矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器可以说是一种两端口波导结问题。为了能够提升波导传输功率容量且降低传输损耗，一般是运用过模圆波导传输方案，由于波导尺寸提升则可增加功率容量，同时降低波导衰减。高功率微波测试中则应设计矩形波导到过模圆波导模式转换器，从而把矩形波导主模转变为过模圆波导主模。不过因为过模波导中可允许诸多模式同时进行传输，这就使得模式转换器设计较为困难。
国内外诸多学者对矩形波导到圆波导的模式转换器进行了深刻研究，学者们大都是运用孔径耦合和渐变过渡方式进行分析，有的学者提出矩形波导到圆波导的这两种模式双工器，把圆波导分别连接到矩形波导过渡转换器，也有学者提出把两路矩形波导转换成圆波导耦合器，此结构耦合方式主要运用圆孔耦合，其结构非常复杂。这些矩形波导到圆波导转换主要是分析传统微波领域中的具体应用，设计方案未全方位考虑高功率运用所提出的各方面需求。高功率需求下，有学者提出并设计了矩形波导到高功率过模矩形波导组成，从而使得输入及输出成为垂直结构，不过都只是实现了圆波导到一路矩形波导转换。
本文构建了模式转换器N端口波导结全波分析模型，同时计算出了模式转换器反射系数，给出了良好的优化设计方法，优化设计加工出X波段低反射，其结构非常紧凑，电场极化是垂直方向，并且对矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器进行了具体测量，最终得出测量结果及仿真结果差异不大，此模式转换器可运用于高功率微波测试系统中。
二、波导结全波分析
矩圆模式转换器可以说是一种两端口波导结问题，通常是对端口波导结问题进行分析时，则运用有限元方式展开模式转换器全波分析及数值计算。如图一所示，N端口波导结。图中波导结能够和矩形波导及圆波导互相连接，同时加载为任意形状介质。则表示第n个波导端口横截面，S表示区域中金属表面。
本文运用有限元方式，通过求解矩阵方程得到反射波幅度。同时基于有限元方式数值仿真软件得到波导结模型且精确求解，最后得到模式转换器反射系数。
三、设计及测量
1、设计
矩圆波导模式转换器主要完成矩形波导主模至圆波导主模转换。如图二所示，矩圆波导模式转换器。图中矩圆波导模式转换器利用矩形波导截面变形为圆波导截面来实现。其间关键参数为矩形波导宽边及窄边，圆波导半径R，模式转换器轴向长则为L，过渡段张角为α己直圆波导段长度为d。
模式转换器优化设计方式：第一，改变过渡段张角进行模式转换器优化，从而使得α值最优化；第二，按照α值计算模式转换器轴向长度初步数值，初值附近开始优化模式转换器，最终确定L最优值；第三，调整d值而使得圆波导口面极化方向是垂直方向。
使用上述方式设计中心频率为8.4GHz矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器。圆波导口面半径为25毫米，矩形波导口面宽边为40毫米，其间窄边为16毫米，直圆波导段为9.5毫米。具体而言，具体应用时则模式转换器轴向长度应适当，不宜过长，同时反射系数小则模式转换器性能越好。
经实验可得：L处于85.5～100.5毫米之间时，则模式转换器反射系数变化较大，若L为95.5毫米则反射系数是最小值，这时的模式转换器性能则最好。为了具体应用方便则应有效调整直圆波导段长度，从而使得圆波导口面电场计划方向是垂直方向。通过连续调节直圆波导段长度得到d为8.5毫米时则圆波导口面电场极化方向是垂直方向。
最终按照优化设计确定出模式转换器尺寸，从而构建计算模型仿真。结果显示，频率为8.4GHz则模式转换器驻波不大于1.03，同时模式转换器圆波导口面电场极化方向是垂直方向。最终可得优化设计矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器可以充分满足反射系数小的要求，电场极化方向是垂直方向，同时长度也较短，这样也便于具体应用。
2、测量
具体加工矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器，其间一端和同轴到矩形波导模式转换器互相连接，将同轴及矢量网络分析仪器连接以有效测量驻波。
总而言之，N端口波导结全波分析模型理论分析及模式转换器反射系数计算是转换器设计的关键。本文给出一种有效的设计优化方式，合理解决了矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器设计中所存在的难点，优化设计加工为频率8.4GHz低反射，其结构非常紧凑且电场极化是垂直方向矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器。测量结构及仿真结果差异小，同时证明了此设计方式可行性高，此模式转换器可充分应用于高功率微波天线测试系统中。
结束语
本文建立了模式转换器N端口波导结全波分析模型，同时计算了模式转换器反射系数，给出良好效果的优化设计方法。科学有效的优化了设计X波段矩形波导到高功率过模圆波导模式转换器，该转换器结构紧凑且反射系数小，电场极化是垂直方向，通过仿真实验得出该设计方法可行性高。
参考文献
[1] 马军，王弘刚，杜广星，钱宝良.矩形波导TM11-TE10模式转换器的初步设计[J].强激光与粒子束，2014（6）.
[2] 门满洲，李相强，张健穹，刘庆想.高功率1分32路功率分配网络的设计[J].电子元件与材料，2013（6）.
[3] 张健穹，刘庆想，李相强，王邦继.高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器[J].强激光与粒子束，2014（9）.
[4] 龚云峰，谢拥军，蒋永辉，雷斐然.矩形波導到高功率过模圆波导模式转换器的设计[J].电子器件，2010（2）.
作者简介
尹琴，1979年02日，女，汉，安徽金寨，2003年毕业于皖西学院电气技术专业 专科，现工作于中国电子科技集团公司第38研究所，研究方向：雷达天线馈线系统。