高功率微波TM 01模式移相器*

趙雪龍，袁成衛，劉 列，彭升人，白 珍，蔡 丹

(國防科技大學光電科學與工程學院，湖南長沙 410073)

隨著高功率微波技術(High Power Microwave，HPM)的發展，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達到GW級的水平，但是在很多應用方面，仍然難以滿足應用需要。為了獲得更高功率的微波輸出，功率合成技術的研究很有必要。而運用高功率微波相位控制的空間功率合成是產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用于功率合成的關鍵部件。在常規微波功率合成技術中，移相器發展非常成熟，主要應用的有兩種，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］，傳統的移相器功率容量只有幾千瓦［1－2］，但是在高功率微波領域，需要移相器具有最少百兆瓦以上的功率容量，所以傳統移相器只能應用于雷達和通信，并不能直接應用于高功率微波領域。移相器直接應用于高功率微波的報道很少，文獻［4］中工作頻率為15.2GHz矩形波導寬邊可調移相器在1W的TE10模式微波注入情況下，最高場強達到9．72kV/m，在真空環境下，估計功率容量可以達到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模式微波直接進行相位調節并合成的移相器還未見報道。趙雪龍等設計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行了驗證，TM01模式移相器的實現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移相器由兩個相同的TE11模式圓極化器［5］軸向反接構成，如圖1所示。

其中，每一個TE11圓極化器單獨仿真時，注入模式為TM01，輸出模式主要成分為兩個正交極化的TE11模式。圖2(a)為兩個正交極化的TE11模式的透射系數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的前三個模式:TM01和兩個正交極化的TE11)。從圖2(a)中可以看出，輸出模式在中心頻點處為兩個簡并的TE11模式，極化方向互相垂直，兩個TE11模式在中心頻點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。圖2(b)為圓極化器輸出兩個簡并TE11模式相位隨頻率變化曲線，從圖2(b)中可以看出兩個簡并TE11模式在中心頻點1．75GHz處相位差在90°左右。根據所得到的兩個極化方向輸出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。

將兩個圓極化器沿軸向反向連接在一起，通過角向旋轉改變兩圓極化器所成角度，即可以對輸出微波的相位進行調整。

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化四個幅度相等的矩形波導TE10模式，通過調整十字正交臂四個臂的長短使輸出TE10模式分別有90°的相移，再將四個具有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圓極化TE11模式(圖4B)，圓極化TE11模式再通過另一個相同的反向連接的TE11圓極化器轉化為TM01模式(圖4C)輸出，在這個過程中，通過角向扭轉兩個圓極化器，即可以獲得與扭轉角度相等的相對移相度數。

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

圖4 移相器中兩圓極化器扭轉相對角度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角度的變化曲線，每隔10°扭轉1次。從圖5中可以看出，在扭轉210°時傳輸效率最大，達到99.75%，在扭轉290°時，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隨相對扭轉角度的變化曲線，從圖6中可以看到，相移度數隨兩個圓極化器相對扭轉角度的線性變化呈線性變化，且與相對扭轉角度基本一致，誤差在1°以內。

圖6 TM01移相器相對相移度數隨相對扭轉角度變化曲線Fig．6 Phase shift degrees curve of TM01 phase shifter with the change of relative rotation angle

2 結論

本文提出了一種應用于高功率微波的TM01移相器，介紹了移相器的構成，并對移相器移相性能進行了仿真，仿真結果顯示，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圓極化器相對扭轉角度的線性變化而改變，且基本與扭轉角度相等，誤差在1°范圍內;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計要求;這種移相器的設計為實現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．

［3］ Li X Q，Liu Q X，Wu X J，et al．A GW level high-power radial line helical array antenna［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(9):2943－2948．

［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．