通过微波混频器实现频率转换

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                1  引言

                        HE11模式激励器是毫米波研究的重要器件，可以将毫米波能量馈入波纹波导，在波导内以基模（或者接近基模的混合模式）进行传输，从而可以对毫米波馈线和器件进行测试。在毫米波馈线（器件）冷测中，激励源一般使用标准矩形波导输出，而对于需要进行大功率传输的馈线（器件），一般是较大口径的波纹波导。如果采用径向变化的方法研制模式激励器，设计和加工难度都很大，体积也可能大到不便应用的程度。利用准光相位修正镜面系统的方法研制模式激励器，可以方便实现馈入波纹波导的波束分布，加工难度低，易于实现。
                         
                        研制的95GHz准光HE11模式激励器主要由波纹喇叭加双相位修正镜面系统构成。信号源输出的微波信号以标准的BJ84矩形波导输出，经过矩圆转换后，接入准光HE11模式激励器的波纹喇叭，喇叭辐射场经过相位修正镜面系统对相位和幅度分布进行调整，在输出波纹波导馈入端口形成所需束腰的高斯分布。
                         
                        本文以输出9.2mm半径的高斯束腰为设计目标，以标量衍射理论为基础，按照自适应相位修正算法（KSA）对相位修正反射镜进行设计。测试结果表明高斯分布的标量含量大于99%，矢量含量大于96%。
                         
                        2  仿真结果

                        双镜面准光HE11模式激励器仿真布局如图1，波纹喇叭天线辐射场先后照射到两个变形镜面上，经过双变形镜面的相位修正后，在输出波纹波导入口的观测面上得到接近基模高斯束的场分布。其中波纹喇叭的设计输出为：相当于距离喇叭口面16.5mm的距离上为束腰半径6mm的基模高斯束。以此作为HE11模式激励器的设计输入，准光模式转换器的目标场分布为TEM00，束腰9.2mm。
                         
       

               

       

                图1  双镜面HE11模式激励器仿真布局

                         
                        按照双变形镜面的布局，第二镜面的目标场分布应该为束腰半径9.2mmTEM00模的束腰处的场分布，第一镜面的目标场分布应该为束腰半径21.8mm的场分布。
                        图2~图5分别为经过数次优化后的观测面上的场分布和第一、第二镜面的形状。
                        第二观测面可以得到的标量和矢量转换效率分别达到99.87%和99.38%。
       

                 

       

               

       

                图2  第二观测面上的场幅度分布

       

               

       

                图3  第二观测面上的场的场相位分布

       

               

       

                图4  第一相位修正镜面形状

       

               

       

                图5  第二相位修正镜面形状

                 
                         
                        3  加工测试结果

                        图6为加工完成后的HE11模式激励器照片。
                         
       

               

       

                图6  模式激励器照片

                         
                        图7~图10为HE11模式激励器实测幅度和相位分布。图7中实线为实测分布划出的束腰位置，点划线为理想的束腰位置，图9和图10中的绿色线分别为理想的幅度和相位分布。
                         
       

               

       

                图7  测试结果——幅度分布

       

               

       

                图8  测试结果——相位分布

       

               

       

                图9  幅度分布正交取样

       

               

       

                图10  相位分布正交取样

                         
                        实测结果表明高斯束腰的标量和矢量含量分别达到99.33%和96.25%。从实测结果可以看出，HE11模式激励器的输出幅度分布非常接近理想的高斯分布，而相位分布要差一些，但是能量主要集中部分的相位差值也都保持在±10°之内。
                         
                        5  结论

                        在实测过程中发现，由于波纹喇叭加工不理想，输出的场分布与理想分布相差较大，这样会严重影响HE11模式激励器的输出场分布。后来经过对波纹喇叭和镜面的调整，取得了以上较好的结果。可以预见，如果对波纹喇叭和其他一些结构的加工工艺进行改进，取得更好的结果也是可能的。