[发明专利]一种用于高功率微波器件的全介质透射式准光模式变换器

说明书

本文公开了一种基于全介质的透射式准光模式变换器，属于微波、毫米波和太赫兹波传输技术领域。本发明是利用全介质超表面可以有效地调控电磁波相位、极化方式和传播模式等电磁特性参数的特点，根据电磁波入射情况，通过调节变换器中每个单元结构的参数，改变每个单元结构所在位置处的入射电磁波极化方向和相位，从而改变整个电磁波模式，实现高功率微波器件旋转轴对称工作模式到高斯波束或类高斯波束的转换。与现有技术相比，本发明的模式变换器实现了性能、紧凑化、设计加工以及成本等方面的同时兼顾，拓宽模式变换器的应用范围。

技术领域

本发明属于高功率微波、毫米波和太赫兹波传输技术领域，具体涉及一种用于高功率微波器件的全介质透射式准光模式变换器。

背景技术

高功率微波系统主要由高功率微波源、模式变化器、传输和发射等几个子系统组成。它的峰值功率能达到100MW以上，频率范围为1GHz到300GHz之间，在受控热核聚变等离子体加热、拒止武器、高分辨率雷达以及无线通讯等方面具有重大的应用。然而，随着频率提高到毫米波及太赫兹波段，常规的基模互作用真空电子器件的尺寸急剧减小，功率容量降低，不利于高频高功率电磁波产生。采用高阶工作模式的过模互作用真空电子器件应运而生。

高阶工作模式多为旋转轴对称模式(TE_0n，TM_0n)或高阶边廓模(TE_mn，m≥1，n＝1，2),这种模式增大了互作用器件的尺寸，提高功率容量。但是这种高阶模式在传输过程中呈中心空心圆锥状，大部分能量没有集中在轴上，存在严重的绕射和损耗，不利于电磁波在自由空间中的传输和应用。因此，需要利用模式变换器将输出模式转换为易于传输的模式，比如高斯光束或低阶线偏振模式。目前常用的模式转换器有以下几种：

第一种是波导模式变换器。它基于耦合波理论，通过波导轴向弯曲及半径的扰动使输入波导模式转换成所需要的模式。但是其尺寸大，变换链路长，计算机仿真所需内存资源大，不利于模式变换的优化分析。此外，采用传统的波导模式变换器，存在复杂的极化波，不能很好的抑制寄生模式。

第二种是准光镜面发射式模式变换器。它利用多个镜面的多次反射，将输出TE模式电磁波转换成横向输出的高斯模式。该变换器对镜面的加工精度和安装精度要求高，且体积庞大、加工成本高。

第三种是近来学者提出的基于等离子体激元型超材料的准光模式变换器。通过比较回旋管工作TE模式与高斯光束辐射模式场分布的不同，调整不同超材料单元的相移，实现初始模式到辐射模式的转换。然而，等离子体激元超材料存在欧姆损耗，导致波在这种超表面上传输效率低，影响模式转换效率。等离子体激元超材料和超表面由金属周期结构构成，在强电磁场环境下，由于金属表面尖端效应，容易出现击穿放电，无法在高功率微波领域使用。

综上所述，目前常用的几种模式转换器均存在一定程度的不足。因此，有必要对目前的模式变换器进行改进，使其能够同时兼顾性能、紧凑化、设计加工以及成本等方面。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术所存在的问题，提供一种用高功率微波器件的全介质透射式准光模式变换器。以实现对模式变换器性能、紧凑化、设计加工以及成本等方面的同时兼顾，拓宽模式变换器的应用范围。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于真空电子器件的全介质透射式准光模式变换器，包括介质基底，所述介质基底由n个正方形单元结构组成，每个单元结构的中心都设有一个由介质材料制成柱体，柱体的顶面和底面均具有二重旋转对称性，用于充当移相器和波片使用，同时调整该单元电磁波入射电场；调节单元结构内快轴方向和慢轴方向的尺寸：当该单元结构的快轴方向与慢轴方向之间存在90°或者180°的相位差时，单元结构分别具有四分之一波片和半波片的功能，以用于转换电场的极化方式。

进一步的，上述变换器可将电磁波转换成线极化高斯波束，其转换过程为：