[实用新型]一种超材料模式转换器

说明书

技术领域

本实用新型属于微波传输及微波天线技术领域，具体涉及一种超材料模式转换器，本实用新型可以应用于高功率微波技术领域的传输与发射系统。

背景技术

超材料（Metamaterials）是指运用人工工程方法构建出的具有一般天然材料所不具备的超常性质的材料。一般由金属、介质材料或者二者结合的特殊结构作为阵元，通过精心设计排布各阵元获得一般传统材料所不能获得的物理性质。与一般材料不同，超材料的性质不是由它的材料化学组分决定，而是由它的几何结构所决定；其阵元形状、尺寸、指向及排布方式等均会对通过其中的电磁波、声波等波动的传播产生奇特的影响。刻画超材料电磁学特性的参数如介电常数、磁导率及折射率等表现出一般天然材料所不具备的奇特性质，如负介电常数、负磁导率和负折射率等等。电磁超材料的本质就是通过对阵元及其排布方式的精心设计，达到操控材料电磁特性参数的目的。由于材料特性的“可操控性”，其在微波频段得到了广泛的研究和应用，如电磁隐身、赋形天线、滤波器等等。

高功率微波（High Power Microwave, HPM）是指峰值功率大于100MW，频率介于1 GHz到300 GHz之间的电磁波。它是本世纪70年代以来随着脉冲功率技术、相对论电子学和等离子体物理等学科的发展而发展起来的一个新的研究领域。随着等离子体技术、脉冲功率技术的进步以及复杂PIC模拟工具的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。

大多数高功率微波源如轴向提取的虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器、三腔渡越时间振荡器、多波契伦克夫发生器等都具有旋转对称的慢波结构，其微波输出模式多为圆波导或同轴波导轴对称模。由于其输出端口的口径场分布具有圆对称性，这些模式直接辐射会得到环状的远场方向图，辐射场能量分散，不利于高功率微波定向辐射。

为了得到方向集中的微波辐射，需要设计轴对称模式集中辐射天线。目前在紧凑型高功率微波源设计方面应用得比较成功的轴对称模式集中辐射天线设计方案是模式转换器和辐射喇叭的结构。名称为“同轴插板式TEM-TE₁₁模式转换器的设计与实验研究”的文章（强激光与粒子束，2005年第17卷第6期，p897）提出一种插板式模式转换器，将同轴波导分成相速度不等的多个扇形波导分区，利用微波在各分区内相速度不同来实现模式转换。但是由于电磁波在各分区之间相速度差值有限，要实现TEM-TE₁₁的模式转换需要很长的系统结构。为了缩短插板式结构的长度，名称为“L波段磁绝缘线振荡器一体化辐射天线”的文章（强激光与粒子束，2008年第20卷第3期，p435）提出了一种插板与介质移相相结合的结构，移相介质的引入使模式转换器长度大为减小，但是功率容量问题仍然是该类结构的瓶颈。因此需要设计功率容量更高的紧凑型模式转换器，促进高功率微波源的实用化。

实用新型内容

为了使模式转换器既能实现模式转换功能，又能具有较高的功率容量，同时还能做到结构紧凑，本实用新型提供了一种新型的超材料模式转换器。该模式转换器能实现TEM/ 模到 模的模式转换，且结构紧凑，功率容量高。

本实用新型采用如下技术方案：一种超材料模式转换器，包括内导体、外导体和超材料，所述内导体为圆柱形，外导体为圆筒形，内导体插入外导体之中并同轴心；所述超材料由金属阵元沿轴向周期排布构成并连接在外导体的内壁上；所述转换器沿微波传播方向分为输入口、模式转换区、输出口三部分；所述超材料位于模式转换区内，所述超材料周期性排列的多组金属阵元将模式转换区中的内导体、外导体组成的同轴波导沿圆周方向分成相等的两个区域。

在上述技术方案中，所述金属阵元由几何形状的栅格沿圆周方向周期排布于约180度范围内构成

在上述技术方案中，所述超材料的金属阵元周期数根据需要可调。

在上述技术方案中，所述内导体、外导体的尺寸可调。

在上述技术方案中，所述输入口没有内导体。

在上述技术方案中，所述输出口没有内导体。

在上述技术方案中，所述输入口、输出口均没有内导体。

在上述技术方案中，所述两个区域之间设置一金属板。

本实用新型的优点在于：本实用新型的模式转换器结构紧凑，具有较高的功率容量，可以在不增加系统横向尺寸的前提下在约1/3个波长的长度内完成模式转换，能很好地应用于体积小、质量轻的紧凑型窄带高功率微波传输与发射系统。

附图说明

本实用新型将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：