X波段过模弯曲圆波导TM01-HE11模式变换器研究

在波束波导和反射面天线的馈源应用中, 为了产生低副瓣且方向图等化的高斯波束, 需要将高功率微波转换为准高斯模HE₁₁模辐射. 本文利用弯曲圆波导可同时从TM₀₁模产生TE₁₁模和TM₁₁模的原理, 提出了采用双弯曲过模圆波导结构直接将TM₀₁转换为HE₁₁的模式变换器, 避免了常规微波领域中首先将TM₀₁转换为TE₁₁再用波纹式或半径渐变式TE₁₁-HE₁₁转换器转换为准高斯波束功率容量不足或尺寸过长的不足. 基于模式耦合理论和Taguchi优化算法对模式变换器的弯曲半径、相移直端长度及引入位置进行了优化, 使输出的TE₁₁和TM₁₁成一定比率, 以组成HE₁₁模式, 并对设计的模式变换器进行了全电磁波仿真分析, 结果表明输出波束的标量高斯含量在9.05–9.8 GHz范围内均高于99%, 理论功率容量可达4.5 GW. 关键词： 高功率微波 模式耦合理论 Taguchi优化算法 模式变换器     

紧凑型菱形缝隙V波段过模圆波导选模耦合器

设计了一种用于测量V波段过模高功率毫米波源在线功率的选模耦合器。利用小孔耦合理论和微元法对菱形耦合缝隙进行了理论分析，采用两组相同的菱形耦合缝隙实现选模功能，缩短了耦合器长度，增加了工作带宽。采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化设计，模拟结果表明:在60 GHz频点处，TM01模耦合度约为50 dB，TM02模耦合度仅为75 dB，对TM02模的抑制度为25 dB；在500 MHz带宽内对TM02模的抑制度大于15 dB，1 GHz带宽内的抑制度大于10 dB，可满足工作于TM01模的V波段高功率毫米波测试需求。同时针对工作于高次模TM0n（n=2,3,4,）的器件设计了可抑制TM01模的耦合器，为高次模工作的高功率毫米波器件的在线功率测量和模式诊断提供了技术方案。     

X波段高功率微波选模定向耦合器

高功率、长脉冲是高功率微波技术发展的趋势,提高微波器件的功率容量成为一项重要的任务,使用过模器件可以有效提高微波源的功率容量,然而却会带来微波源中同时存在多种模式的问题。为了识别一个X波段长脉冲过模高功率微波源的输出主模TM01模式,设计了一种在线选模定向耦合器,进行了理论分析和模拟优化设计。当频率范围为9.2~9.6 GHz时,模拟结果显示该选模耦合器对TM01模的耦合度为-54 dB,在400 MHz带宽内定向性大于35 dB,对TM02模的抑制度大于15 dB,功率容量可达到3 GW以上。     

一种直角转弯圆波导模式转换器设计

设计了一种尺寸紧凑并具有高功率容量的圆波导TE₁₁-TM₀₁模式转换器,结构呈直角转弯形状。该转换器利用传输TE₁₁模式的圆波导与其E面分支耦合进行模式转换,并在TM₀₁输出端口的反向传输短路面加入调配螺钉来拓宽频带。设计结果表明,转换器在工作频率12.7 GHz处的转换效率为99.6%,大于90%的带宽约20%,填充SF₆绝缘气体工作时可获得12 MW的功率容量。     

圆波导定向耦合器在高功率微波测量中的应用

介绍了大功率容量定向耦合器的设计、标定、测试与应用情况。以X波段圆波导定向耦合器为例,在9.2~10.2 GHz的频带范围内,基于小孔耦合理论优化设计的结构,其耦合度可以稳定在(55±2)dB以内,隔离度大于80 dB。在此基础上,设计加工了X波段圆波导定向耦合器并进行了标定测试,测试与仿真结果吻合较好,高功率微波实验证实了其具有较高功率容量,能够满足实验需求。该类圆波导定向耦合器已广泛应用于实验室高功率微波源的在线测量装置中。     

圆波导TE01模激励器设计及实验研究

对比分析了几种可输出圆波导TE₀₁模激励器的仿真设计结果。结果表明,利用行波功分结构实现矩形波导TE₁₀模到4路矩形波导TE₁₀模的等幅同相功分,进而合成转换成圆波导TE₀₁模的转换过程,可在较宽的频带范围内,实现圆波导TE₀₁模的高效激励。以中心频率9.40 GHz仿真设计的圆波导TE₀₁模激励器,在中心频率上的传输效率超过99.9%;在9.08~9.61 GHz的频率范围内,传输效率大于99%。实验测量结果表明,所加工激励器在较宽的频带范围内,传输损耗优于-0.2 dB,与仿真结果的差异主要来自于波导壁面的欧姆损耗和波同转换结构;器件工作频带内平坦特性良好,有利于开展测量工作。     

过模波导器件的迭代设计方法

从模式保留和转换的角度, 过模波导器件可分为模式转换器、模式保留器和模式综合器. 传统方法只解决其中一种器件的设计或者对器件的某个指标进行改进. 本文在深入分析耦合波理论之后, 提出了过模波导器件的迭代设计方法, 从原理上解决了过模波导器件的设计问题. 该方法能够统一设计三类过模波导器件, 通过添加不同的结构控制方法, 可得到转换效率更高、带宽更宽、结构更紧凑、满足不同工程需求的器件, 而且还能有效设计一些新型器件. 给出了两个设计实例: 双频TM₀₁–TE₁₁模式变换器和光壁馈源喇叭. 双频TM₀₁–TE₁₁模式变换器的两个工作频点为8.75 GHz和10.3 GHz, 波导半径为16 mm, 在两个频点转换效率为99%以上. 光壁馈源喇叭实现TE₁₁模式向高斯束的转换. CST仿真结果验证了这两个器件设计的正确性和有效性. 关键词： 耦合波理论 模式转换器 模式过渡器 迭代法     

带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器

提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM₀₂转化为TM₀₁,最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。     

宽带非均匀半径渐变TE0n-TE0(n+1)模式转换器的设计研究

基于耦合波理论,对两类半径渐变圆波导TE_0n-TE_0(n+1)模式转换器进行理论分析、数值计算和仿真模拟.均匀半径渐变波导高功率模式转换器,采用中心频率为17.14GHz、六周期TE₀₂-TE₀₃模式和中心频率为34.30GHz、六周期TE₀₁-TE₀₂模式两种设计参数.非均匀半径渐变波导高功率模式转换器,采用中心频率为34.30GHz、六周期TE 关键词： 模式转换器 耦合波理论 非均匀半径渐变 转换带宽     

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

用八孔耦合器识别TM0_(1)/TE_(11)混模中TE_(11)模式的方法北大核心CSCD

在高功率微波传输系统中,为了提高功率容量和效率,往往采用过模波导,因此圆波导中往往出现TM_(01)和TE_(11)混合模式的情况。采用角向均匀分布的8孔圆波导耦合器,对提取TE_(11)模式的混合比和极化角度的方法进行了分析和研究。分析了圆波导中TM_(01)和TE_(11)模式在耦合孔处的电场分布,并采用CST对各耦合孔的输出功率进行了模拟计算,得出相互正对的耦合孔的平均功率与8个孔的平均功率之比与模式之间的相位差无关的结论。同时,发现该比值与TE_(11)模式的混合比成线性关系,线性关系中的比例系数是极化角度线性函数。通过线性拟合获得了计算TE_(11)模式混合比和极化方向的表达式。与仿真设定的参数相比,用该表达式计算的结果表明,在TE_(11)模式混合比小于30%时,用其计算TE_(11)模式的混合比和极化角度是可行的,误差不超过10%。在此基础上,给出了实际情况下TE_(11)模式信息的具体判断方法。     

用于X波段模块化相对论速调管放大器在线测量的紧凑型定向耦合器设计

为实现模块化相对论速调管放大器功率、频率和相位的在线测量,对紧凑型高定向性高带宽的定向耦合器进行了仿真和实验研究。利用小孔耦合理论和相位叠加原理进行理论分析,设计了一种双孔紧凑型定向耦合器,在此基础上采用主、副波导正交连接,耦合孔沿轴向和角向二维分布的方法,进一步缩短了耦合器的长度。通过电磁仿真对耦合器各参数进行优化,模拟结果表明：当中心频率为10 GHz时,普通双孔定向耦合器对TM01模式的耦合度为-60.68 dB,在250 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度为3.49 cm。改进型定向耦合器对TM01模式的耦合度为-58.1 dB,在300 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度仅为1.8 cm（约0.6λ）。耦合器的冷腔实验测量结果与仿真结果符合较好。     

W波段TE02模式回旋行波管带宽输入耦合器设计

输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一,其作用是将矩形波导TE₁₀模式的信号,通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式,输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE₀₂模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析,指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低,利用仿真软件进行仿真,通过优化耦合孔的尺寸,抑制杂模的产生,将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工,实际测试,得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器,与设计符合较好。     

X波段高功率微波一维相扫漏波天线阵

研究了一种可一维相扫的X波段高功率微波漏波天线阵,该天线阵由高功率微波功分网络、移相器和漏波平面阵组成。漏波平面阵由8个矩波导漏波线阵组成,增益29.6dB,口面效率70%,设计功率容量0.91GW;功分器网络采用圆波导TM01-双矩波导TE01模式变换和串列式矩波导功分器形式,输出端口间的不平衡度小于1.6dB,设计功率容量1.1GW;移相器采用侧壁簧片弯进改变矩波导宽度,实现0~360°移相,单路功率容量150MW。整阵相扫性能的全波仿真分析结果表明,在主瓣增益下降3dB的情况下,扫描角度可达到±40°。