高功率微波TM 01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)

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。

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:

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)。

仿真結(jié)果顯示，在扭轉(zhuǎn)角度隨機(jī)(取60°)輸入功率為0．5W 情況下，電場最大值為750V/m，Barker［7］實(shí)驗(yàn)中的結(jié)論顯示金屬表面射頻擊穿場強(qiáng)可大于1MV/cm，即使按金屬表面射頻擊穿場強(qiáng)為700kV/cm估算，此移相器功率容量大于，其他扭轉(zhuǎn)角度功率容量變化不大。

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 when relatively rotation angle of two polarized TE11 converter 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 TM01 phase shifter 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 TM01 phase shifter with 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。

References)

［1］ Erker E G，Nagra A S，Liu Y，et al．Monolithic Ka-band phase shifter using voltage tunable BaSrTiO3 parallel plate capacitors［J］．IEEE Microwave and Guided Wave Letters，2000，10(1):10－12．

［2］ Malczewski A，Eshelman S，Pillans B，et al．X-band RF MEMS phase shifters for phased array applications［J］．IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1999，9(12):517－519．

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［4］ Yang Y M，Yuan CW，Qian B L．A novel phase shifter for Ku-band high-power microwave applications［J］． IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(1):51－54．

［5］ Peng S，Yuan C，Zhong H，et al．Design and experiment of a cross-shaped mode converter for high-power microwave applications［J］．Review of Scientific Instruments，2013，84(12):124703．

［6］ 林昌祿．天線工程手冊［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2002．LIN Changlu．Handbook of antenna engineering［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry Press，2002．(in Chinese)

［7］ Barker R J，Schamiloglu E．High-powermicrowave source and technologies［M］．New York:IEEE Press，2001．