回旋速调管输入耦合器分析与设计

 对Ka波段工作模式为TE₀₁模和TE₀₂模的两种回旋速调管的输入耦合器进行了详细研究，利用模式匹配理论和HFSS建模仿真计算了内圆柱腔和外同轴腔的尺寸；提出了一种与软件计算相结合的模式纯度计算方法，对内腔工作模式纯度、内外腔能量分数进行了计算。内腔侧面上的耦合缝的大小、角向位置都直接决定外同轴腔内的TE_m11模向内圆柱腔的TE_0n1模的耦合情况。针对耦合缝与输入波导成45°和0°分布两种情况，研究了耦合缝长、宽和角向偏移，以及内外腔频差对频率、Q值及内腔能量分数的影响。分别设计了Ka波段内腔工作模式为TE₀₁₁、外腔为TE₄₁₁和内腔TE₀₂₁、外腔TE₈₁₁的两种输入耦合器，并利用矢量网络分析仪对内腔工作模式为TE₀₁₁的耦合器进行了冷高频测量，测得频率为34.257 GHz，与计算结果34.300 GHz仅相差43 MHz。     

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。     

8mm TE01–HE11高功率模式变换器的研究

 从弯曲波纹波导中广义耦合波方程出发，进行数值优化迭代，得到在8mm波段，TE₀₁–HE₁₁高功率高效率模式变换器的设计。计算中考虑了金属壁所带来的欧姆损耗，并采用了相位重匹配技术以提高转换效率。给出了一组优化设计尺寸及计算结果。     

94 GHz回旋管过模波导模式转换与传输

 在耦合波理论的基础上,研究了94 GHz回旋管内置TE₀₃-TE₀₂-TE₀₁模式转换器和外接的TE₀₁-TE₁₁模式转换器。采用半径渐变微扰和轴线微扰几何结构以及不同的相位重匹配技术进行优化分析,得到了可靠的最优几何参量,设计出了紧凑、高效的94 GHz波纹波导模式转换器和蛇形线模式转换器。回旋管的热测实验中测出的模式样图表明,所设计的内置模式变换器有效地实现了TE₀₃-TE₀₂-TE₀₁的模式转换。     

高功率毫米波圆波导半径微扰模式变换器的优化设计

 从半径渐变波导的耦合波方程出发,利用龙格-库塔法进行优化数值迭代,得到在3 mm波段,TE₀₃-TE₀₂, TE₀₂-TE₀₁高效率模式变换器的设计参数。通过优化程序,设计出了6周期TE₀₃-TE₀₂和3周期TE₀₂-TE₀₁模式变换器优化尺寸。利用CST微波工作室电磁仿真软件对结构尺寸进行优化仿真,仿真结果与优化程序计算结果基本一致。以此数据设计中心频率94 GHz的TE₀₃-TE₀₂,TE₀₂-TE₀₁模式变换器功率转换效率可以达到98.5%以上,90%功率转换的绝对带宽分别达到3.5和7.0 GHz以上,优于设计要求。     

高功率圆波导TE0n-TE11模式变换研究

 在模式耦合理论的基础上，详细讨论了波导轴线弯曲与波导半径渐变的圆波导模式变换，并对TE_0n-TE₁₁模式变换器的几何结构进行了优化分析，采用不同的相位重匹配技术，得到了可靠的最优几何参量。以此数据设计的8mm回旋速调管TE₀₁-TE₁₁模式变换器的转换效率可达98%。     

L波段小型化同轴-共面波导定向耦合器

设计了一种适用于L波段高功率微波辐射场测量的同轴型定向耦合器。分别选择同轴线和金属底板共面波导（CBCPW）作为主副传输线,减小定向耦合器横截面积;利用小孔耦合理论和微元法对耦合结构进行理论分析,选择连续渐变的菱形耦合缝隙,缩短定向耦合器长度;采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化,并对其性能参数进行实验测试,结果表明, 在1~2 GHz频带范围内耦合度约为47 dB,方向性大于17 dB。     

一种新型同轴TEM-圆波导TE11模式变换器

 提出了一种新型同轴插板式模式变换器，可以实现同轴TEM到圆波导TE₁₁模式的变换。介绍了这种模式变换器的工作原理：即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板，将同轴TEM模变换成扇形截面波导TE₁₁模，进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性，在同轴波导中形成同轴TE₁₁模，最后将同轴TE₁₁模转换为圆波导TE₁₁模式。基于这一原理设计了一个中心频率为3.8GHz的同轴TEM-圆波导TE₁₁模式变换器，并进行了数值模拟。模拟结果表明：这种模式变换器可以承受高功率，中心频率上转换效率为98.5%，转换效率大于90%的带宽超过10%，在3.5~4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。     

高功率圆波导多孔阵列定向耦合器设计

设计了一种应用于8 mm回旋管输出功率测量和频谱监测的圆波导-矩形波导多孔阵列耦合定向耦合器。利用弱耦合波理论推导了多孔阵列耦合公式，从数值计算和模拟仿真两个方面对比分析了8孔孔径阵列分别呈正反分布的等孔径、二项式、切比雪夫和高斯分布的耦合特性。在此基础上，结合等孔径分布耦合度带内波动小和切比雪夫分布高定向性的优点，提出了复合孔径阵列的设计思想。模拟结果显示:复合孔径阵列很好地兼顾了多种孔径阵列分布的优势，带内耦合度波动较小，有效频带范围较宽，且定向性优越。同时对定向耦合器的方向性改善进行了探讨，可以看出,适当的孔径分布阵列如切比雪夫分布和阵列边缘尾孔间距的调整都可以有效地提高定向性。     

螺旋波纹波导的传输特性

 根据螺旋波纹波导的传输耦合方程，取输入模式为TE₁₁，由螺旋波纹波导模式耦合规则得到输出模式为TE₂₁，由此给出耦合方程的具体形式。用“迭代法”简化耦合方程，并进行数值分析，得到了波导波纹周期对传输特性的影响；利用简化后耦合方程解的解析式计算了螺旋波纹波导工作模式中各场幅值的比例关系。计算结果表明：在工作频段内螺旋波纹波导中场结构是一种混合模，以TE₂₁模为主，其群速基本接近常数，可以和电子注在很宽的频带内产生互作用，为注波互作用的计算提供了依据。     

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM₀₁模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM₀₁模的同时可实现对TM₀₂和TE₁₁模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8 GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1) dB,定向性大于30 dB,对TE₁₁模的抑制度大于15 dB,对TM₀₂模的抑制度大于30 dB,功率容量大于2.5 GW。     

Quartz CO2 waveguide laser with a separated diffraction grating

A quartz CO₂ waveguide laser with external totally reflecting mirrors and a NaCl plate for the output power coupling is described. The output power was measured as a function of the distance of the mirrors from the waveguide aperture. Using a diffraction grating instead of one of the mirrors the output power at the 10 P(20) line was measured as a function of the mirror position. The results sustain the assumption of a multimode waveguide structure.     

多波导定向耦合器耦合特性

利用拉普拉斯变换,将多波导定向耦合器的耦合模方程组变换为三对角线性方程组,并采用追赶法求出了该方程组的通解;进一步,给定初始条件,进行拉普拉斯变换反演,即可严格地求出该耦合模方程组的解。采用该方法研究了5波导定向耦合器光从一个波导入射和等光强从5个波导入射时的耦合特性,求出了耦合模方程组解的解析表达式,给出了每个波导中光功率变化规律曲线。利用该方法,可很方便地求出任意有限数目波导组成的定向耦合器在任意入射条件下耦合模方程组的解,因此对于多波导定向耦合器结构的合理设计,具有非常重要的意义。     

高功率平板波导螺旋阵列天线设计

提出了一种工作在C波段的高功率平板波导螺旋阵列天线。以平板波导馈电,降低了馈电复杂性和馈电结构高度;对基本的电探针结构进行改进,通过控制扇形缝隙的圆心角大小来调整耦合量,并采用上下脊结构消除反射;设计了短螺旋天线结构,通过分离的参数分别优化轴比和反射,得到天线的轴比在?7°～7°的范围内小于0.5 dB;构建了一个20单元的直线馈电阵列,通过电探针结构从平板波导中耦合能量,实现了20单元的等幅馈电。最后仿真了一个工作在4.3 GHz,包含20×20个单元的螺旋阵列天线,结果表明:该天线的增益为31.6 dB,口径效率为74%,在4.11～4.43 GHz的频带范围内反射小于?16 dB,功率容量3.6 GW。     

Design and analysis of a vertical directional coupler between a three-dimensional plasmonic slot waveguide and a silicon waveguide

The design of a vertical directional coupler between a three-dimensional plasmonic slot waveguide and a silicon waveguide is theoretically investigated in detail. It consists of two steps: the design of isolated plasmonic slot waveguide and silicon waveguide and the determination of the gap between the two waveguides and the length of a coupling region. The designed structure transfers 70.8% of the power carried by the silicon waveguide mode to the plasmonic slot waveguide mode when the gap is 150 nm and the coupling length is 2.14 μm. The wavelength dependence of our vertical directional coupler is also studied. The analysis shows that the amount of the transferred power changes slightly over a very wide wavelength range between 1.40 μm and 1.61 μm. Moreover, if we employ the fabrication technology for silicon photonics, it is quite tolerant to the variation of the length of its coupling section. Finally, the vertical directional coupler is considered for a polarizer.     

基于弱耦合模理论的空间多波导耦合特性研究

不在同一平面的空间多波导中光耦合发生在横截面两个方向,利用空间多波导可以方便、有效地实现不同层间器件的互连。将平面波导耦合模理论推广到空间多波导之间的耦合,在弱导引条件下给出了空间多波导的耦合方程。利用该耦合方程对三维集成光学器件中常见的空间三波导和空间四波导的耦合特性进行分析,得出光强分布及耦合长度的解析表达式,并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果。分析结果表明利用空间多波导可以实现水平和垂直两个方向上的均匀或非均匀分束,为利用空间多波导之间相互耦合的三维定向耦合器件的设计和分析提供理论基础。     

Semi-Analytical Simulation of Titanium-Indiffused Lithium Niobate-Integrated Optic Directional Couplers Consisting of Curved Waveguides

Integrated optic directional couplers consisting of curved waveguides are simulated analytically by solving the Riccati equation. The coupling coefficient between the curved waveguides with a parabolically varying gap and the condition of total power transfer between the waveguides are derived. In order to compute the overall coupling coefficient and hence the power distribution along the waveguides for Ti:LiNbO₃ curved waveguide directional couplers, the coupling coefficient for straight waveguide couplers is computed for different gaps using the effective-index-based matrix method (EIMM). Finally, the power distribution in the curved waveguides along the length is computed. The method is mostly analytical except the effective-index method and is computationally simple.     

A Cutoff Waveguide ICRF Coupler for Large Tokamaks

This paper proposes a cutoff waveguide Ion-Cyclotron Range of Frequencies (ICRF) coupler in heatings of fusion plasma for large tokamaks. Structures of tokamaks do not permit enough aperture areas for using cylindrical waveguides in the propagative region. However, if the power source to excite the coupler is located near its aperture, electromagnetic power is expected to pass through the cutoff region as a tunnel effect and radiate into the fusion plasma. We calculate characteristics of the normalized radiation power and the input impedance for this cutoff waveguide coupler, regarding its aperture as a slot. Numerical results show that the cutoff waveguide coupler has a few million watts handling power when the effective dielectric constant of the plasma is between 60 and 100. Experiments for a one-tenth model of actual size are performed using air and water instead of the fusion plasma. Measured input impedance showed a fine agreement with the theory for typical ones. Furthermore, experiments verify that its input impedance can be controlled by the location of a short-circuiting plunger. All these results suggest that the cutoff waveguide coupler is very attractive for ICRF heating.     

同轴圆筒波导激光器谐振腔的耦合损失及模式特征

计算了同轴圆筒波导谐振腔的耦合损失,结果表明存在三种低耦合损失谐振腔结构,最后分析了谐振腔的模式特性及其设计方法。