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TE0n-TE0(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17.14 GHz、六周期TE02-TE03模式和中心频率为34.30 GHz、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34.30 GHz、六周期TE01-TE02模式为设计参数.研究的重点在于保证足够转换带宽的情况下,力求最大化模式转换效率和模式纯度.通过理论分析和模拟,这种新型的非均匀半径渐变波导模式转换器在转换效率和带宽方面都明显优于传统的模式转换器,峰值转换效率达99.5%,转换带宽超过1.5 GHz.     

毫米波TE10-TE11-HE11模式变换器的研究

设计了一种中心频率为105GHz、带宽为10GHz的TE₁₀-TE₁₁-HE₁₁模式变换器,用于电子回旋共振波加热系统(ECRH)低功率测量平台的搭建,其中采用矩-圆过渡及渐变槽深波纹喇叭实现相关模式转换。仿真结果表明,频率范围为92～115GHz时,该模式转换器产生HE11模的转换效率即高斯含量达到95%以上。     

基于波导模式变换的圆波导TE62模式激励器的研究

基于不规则波导模式匹配法以及缓变波导中电磁波模式耦合理论,研究了一种W波段圆波导TE₆₂模式激励器. 该波导模式激励器采用矩形波导TE₁₀模式通过侧壁耦合馈入同轴波导,利用同轴波导的选模特性激励TE₆₁模式;随后利用轴向半径周期微扰的圆波导实现TE₆₁–TE₆₂模式变换. 文中推导了矩形-同轴波导模式匹配理论,系统研究了波导结构缓变参数对模式变换效率的影响,完成了模式变换器的优化仿真设计,数值计算结果表明：中心频率处TE₆₂模式的转换效率为94.5%,纯度为98.16%,效率85%以上带宽达到1 GHz,能够满足回旋管冷测的要求. 关键词： 同轴波导 模式变换 耦合模理论 半径微扰     

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     

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     

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。     

非均匀扰动结构TE0n模式变换器研究

本文提出一种半径和周期双重扰动的非均匀圆波导TE_0n模式变换器. 通过耦合波理论(CWT)和数值优化方法对该模式变换器进行研究, 计算结果与电磁仿真软件基本一致. 与传统的均匀结构半径微扰模式变换器比较, 非均匀扰动结构TE_0n模式变换器可以在更少的波纹周期内实现高于均匀结构的模式转换效率, 95%功率转换绝对带宽增加150%, 器件长度减小接近一半. 本文的研究工作为设计轴向尺寸短、工作带宽大、 转换效率高的高功率回旋管外接模式变换器提供了重要参考.     

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。     

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。     

Quasi-optical waveguide-mode converters using a pair of phase correction mirrors

This paper describes a quasi-optical method for the conversion of modes transmitted through highly oversized circular waveguides. A waveguide-mode is radiated once from a waveguide cut in the form of a radiation beam, which is then properly shaped by two curved mirrors and directed back into the waveguide. The curved mirror shapes are iteratively and automatically determined for given propagation distances using the design technique for phase correction mirrors. The proposed method gives favorable results in designing a waveguide expander/reducer, a TE₀₁-TE₀₂ mode converter, and a TE₀₁-HE₁₁ mode converter.     

Design of a TE10-TE30 Rectangular Mode Converter for 4.6GHz LHCD Launcher in the Experimental Advanced Superconducting Tokamak

A compact rectangular TE10-TE30 mode converter is developed for the lower hybrid current drive （LHCD） launcher on the Experimental Advanced Superconducting Tokamak （EAST） at 4.6 GHz. The converter with periodic width perturbation aims to divide the microwave power into three sub-waveguides in the poloidal direction. We present the design and numerical calculation of the mode converter. Calculations are performed on the ripple wall converter by codes based on numerical solving the coupled-mode differential equations and on the simulation of the High Frequency Structure Simulator （HFSS） package. The resulting conversion efficiency from TE10 mode to TE30 mode exceeds 95% within the bandwidth from 4.56 GHz to 4.64 GHz, and the return loss of the oversized transducer can be considerably decreased to 0.068% by means of a capacitive button embedded in the E-plane of the waveguide.     

A Mode Converter with Multi-waveguide Output from the TE01 Circular Waveguide Mode to the TE10 Rectangular Mode for Millimeter Wave Gyro-device Applications

A mode converter with multi-waveguide output for millimeter wave gyro-device applications is proposed in this article, which is used to convert the TE₀₁ circular waveguide mode into the TE₁₀ rectangular waveguide mode. Computer simulations with Ansoft HFSS code show that the energy transmission coefficient of larger than 95.96% may be reached in the frequency range from 34.094 GHz to 35.8 GHz (a bandwidth of 1.706 GHz) at a VSWR of lower than 1.5 for the input operating mode.     

Numerical modelling of 8mm TM01-TE11 mode converter

A numerical study of TM₀₁-TE₁₁ circular waveguide mode converter, with its optimized size and structure, is presented in this paper. Many factors such as spurious modes, backward wave, perturbation functions of waveguide axis or radius, phase-rematching techniques and ohmic losses are taken into account for the influence to mode converter's efficiency and bandwidth. And the dimensions of an optimized model (f₀=35GHz. with input and output radius a₀=13.6mm) are given.     

Micro-optical 3-dB mode converters

We present a detailed design of a 3-dB TE₀-TE₁ micro-optical mode converter using a chirped grating to phase-match the two propagation modes in an optical waveguide. Devices were fabricated in titanium in-diffused lithium niobate by ion-beam etching the tapered grating pattern into the waveguide surface. The power transfer between the two coupled modes was observed experimentally by varying the angle between the light beam and the normal grating wave-vector. Insertion loss of the TE₀-TE₁ mode converter due to spurious scattering was estimated at 1.5 dB.     

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。     

A Quasi-Optical System for Converting TE0n Mode Outputs of a Gyrotron into Gaussian Beams

In this paper we present a novel design of a quasi-optical system for conversion of gyrotron outputs into Gaussian-like beams. It consists of a quasi-optical antenna, two focusing mirrors and a filter which removes the side lobes of the beam. The system is appropriate as a transmission line for frequency tunable gyrotrons operating at TE_0n mode. As an illustration of our approach, we present results which demonstrate the applicability of the developed system for conversion of the radiation generated by the Gyrotron FU IVA. The examples include conversion of three TE_0n modes (TE₀₂, 223 GHz; TE₀₃, 323 GHz; TE₀₄, 423 GHz) into Gaussian- like beams.     

双微波源共轴辐射馈线结构的设计

设计了一种将两个不同波段微波源输出微波馈向同一个馈源喇叭的双波段馈线结构。该结构不仅对两个微波源输出的TM01模进行了有效的模式转换,而且实现了两个波段的微波共用辐射天线。采用双弯曲圆波导模式转换器实现高频段微波源输出微波的模式转换和轴线的定量平移;采用中间模式为矩形波导TE10模的圆波导TM01模-同轴波导TE11模的模式转换器,实现低频段微波源输出微波的模式转换及与高频段微波源输出微波的共轴输出。数值仿真结果验证了设计思路的正确性。