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     

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     

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。     

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     

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。     

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。     

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。     

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%。     

94 GHz回旋管准光模式变换器设计

基于几何光学理论和矢量绕射理论,研究了将回旋管及其他高功率微波器件的振荡输出模式转换成准光高斯波束的模式变换器,采用伏拉索夫(Vlasov)辐射器和三级准光反射面实现了准高斯模TEM₀₀的横向输出.研究了Vlasov辐射器的工作机理,运用矢量绕射理论计算出波导辐射场,口面电流分布的方法计算反射面辐射场.通过编写程序设计了将94 GHz,模式为TE₆₂的毫米波转化为准光高斯波束的内置式准光模式变换器. 关键词： 94 GHz回旋管 内置式准光模式变换器 Vlasov辐射器 矢量绕射理论     

E面和H面方向图等化的双模圆锥喇叭设计

 介绍用于Φ7.3 m Cassegrain天线的高功率馈源喇叭的设计。为使E面和H面方向图在照射区域内具有高的等化度，选择双模圆锥喇叭作为馈源的结构形式。由于高功率源采用BJ-32波导输出信号，故馈源系统中还应包含一个矩形到圆形的模式转换器，将TE10模转换为TE11模。设计了双模圆锥喇叭和模式转换器，并进行了功率容量估算。测试结果表明，所设计的馈源达到了设计要求，理论计算结果和实验测试数据吻合良好。     

高功率微波波导无源器件迭代设计方法

以耦合波理论为基础,提出了基于最速下降原理的过模波导器件迭代设计方法,并提出了结构控制技术和多频设计技术来满足结构特性和频响特性需求。该方法能够对过模波导器件进行统一有效设计。设计了中心频率为35 GHz、半径为13.6 mm的TE01-TE11模式变换器,采用多频设计技术,相对带宽可达到13.6%,相比于单频设计方法,带宽增加了2.3倍。     

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%。     

双频回旋管内置准光模式变换器设计

回旋管一般使用准光模式变换器实现高阶腔体模式到高斯波束的转换。结合标量衍射理论、KS迭代算法、几何光学、最小均方法等方法设计了工作频率为140 GHz(TE24,9)和105 GHz(TE18,7)的双频准光模式变换器。仿真结果显示所设计的准光模式变换器工作频率为140 GHz(TE24,9)时能量传输效率99.0%、高斯含量99.7%,工作频率为105 GHz(TE18,7)时能量传输效率97.3%、高斯含量98.0%。能够满足MW级双频回旋管的应用需求。     

紧凑型宽带TE01-TE02模式转换器

在传播常数随半径变化的情况下近似分析了两模转换条件,得到了模式转换器的初始结构,然后调用迭代法进行优化,最终能得到结构紧凑、带宽较宽、转换效率高的模式转换器。设计了两周期的Ka波段和一周期的W波段TE01-TE02模式转换器,带宽（转换效率95%以上频带宽度）分别达到2.47,8 GHz。CST仿真结果与耦合波仿真程序计算结果吻合较好,验证了该方法的有效性。     

金属光子晶体高功率微波模式转换器冷测研究

研究了同轴传输线中金属光子晶体的电磁特性,在此基础上优化了一种适用于窄带高功率微波源系统的金属光子晶体TEM-TE11模式转换器。该结构通过沿传输线角向部分填充的金属光子晶体实现移相。采用数值仿真程序对L波段模式转换器进行计算,在1.57GHz中心频率上,模式转换器转换效率为99%;在1.533～1.609GHz频率范围内,模式转换器效率大于90%,相对带宽4.8%。加工了TEM模式激励器和辐射天线,并在微波暗室对模式转换器进行了小信号测试,验证了模式转换器的性能。     

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。     

High-power microwave-induced TM01 plasma ring

Open-shutter photography was used to capture the air breakdown pattern induced by a TM₀₁ mode radiated by a high-power backward wave oscillator. The resultant plasma ring was formed in air adjacent to a conical horn antenna fitted with a membrane to keep the experiment under vacuum. This image was digitized and further processed using Khoros 2.0 software to obtain the dimensions of the plasma ring. This information was used in an air breakdown analysis to estimate the radiated power, and agrees within 10% with the power measured using field mapping with an open-ended WR-90 waveguide     

9.4 GHz过模光滑壁TE11HE11模式变换器设计

采用半径微扰的光滑壁圆波导产生HE11模,避免了常规微波领域中采用的波纹渐变转换器在高功率微波领域应用时易发生齿间打火的不足。采用基于模式耦合理论的迭代综合方法优化了不规则的半径渐变轮廓,使输出产生组成HE11模的混合模式。并通过全电磁波仿真软件进行了对比, 输出波束标量高斯含量在9.1~9.7 GHz范围内均高于99.5%,功率容量4.9 GW。