W波段回旋行波管输入输出段的改进设计

在回旋行波放大器的设计中,输入输出段的性能直接影响到整管输出功率、效率及增益。设计了一种采用渐变过渡段的输入耦合器来减少电子注在前端的截获,而且略微地提高了耦合特性,有效带宽达到4.06 GHz。采用二级切比雪夫渐变波导作为输出结构的耦合输出段,从仿真结果得到,在整个工作频段内,该结构中TE01工作模式的反射低于-20 dB,TE01模向杂模TE02和TE03的耦合分别在-20 dB和-30 dB以下。     

双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

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。     

高阶过模Denisov辐射器设计

应用几何光学理论分析了高阶过模Denisov辐射器的基本工作原理。以耦合波理论为基础,给出了高阶过模Denisov辐射器的设计方法。结合3 mm波段边廊模回旋管的具体参数,研究了3 mm波段工作模式为TE6,2的Denisov辐射器。采用编制的数值计算程序,优化得到可靠的最优波导壁扰动几何参量,据此设计出了紧凑的96.4 GHz工作模式为TE6,2的Denisov辐射器。经全电磁场仿真验证,该辐射器壁电流发生了较好的汇聚,在切割边缘电流幅值降为汇聚中心点的10%,输出准高斯束能量转换效率为96.51%。     

共焦波导回旋行波管准光注入结构设计

为了解决共焦波导回旋行波管现有输入结构带宽较窄的问题,基于高斯变换,为0.4 THz共焦波导回旋行波管设计了准光注入结构,注入模式为HE06模。该结构由波纹波导模式变换器、高斯变换镜及接收天线构成。对整个注入结构进行了三维电磁仿真,结果表明,在回旋行波管8 GHz的工作带宽内,注入效率大于50%,最大注入效率68%。     

高功率回旋行波管新型输出渐变段的设计

利用正余弦拟合的方法和半径渐变波导的耦合波理论设计出一种Ka波段TE01模回旋行波管新型输出渐变段。通过Matlab数值计算和HFSS仿真优化,研究了该新型渐变段的反射系数、传输参数、模式纯度、对杂模的耦合等性能指标。计算结果表明:在长度为80 mm、口径由14 mm变化到32 mm的情况下,在30～33 GHz该新型渐变段的传输参数大于-0.000 52 dB,反射参数小于-65 dB,模式纯度大于0.995,对TE02模和TE03模耦合在-40 dB以下。在等长度和等口径下,与Dolph-Chebyshev渐变段进行比较,结果显示在30～33 GHz内,新型渐变段比其传输参数更好、反射参数更小、模式纯度更高等。测试样品的冷测实验结果为在28～35 GHz范围内,其反射参数小于-30 dB,传输参数大于-0.3 dB。     

220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的研究

提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构.利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态.通过非线性理论,研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争,得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征,其结果与粒子模拟基本一致.研究表明,利用光子带隙谐振腔的禁带特征,回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.     

94 GHz TE_(6,2)模式Denisov辐射器的研究

准光辐射器是回旋管内置准光模式变换器的重要组成部分.采用几何光学理论分析了圆波导中高阶旋转模式电磁波的准光传输特性,分析了螺旋非规则光滑圆波导中电磁波的传输和模式耦合机理,推导任意扰动的圆波导内模式间的耦合波方程及其相关系数.根据耦合波理论编制准光模式变换器的数值计算程序,分析了Denisov型辐射器内激励起的波导模式的功率分布规律和波导壁上的纵向磁场分布,以及辐射器螺旋切口的辐射场的分布和辐射波束的特征,并采用三维全波仿真软件进行对比模拟.优化了工作频率为94 GHz,TE6,2模式的Denisov型辐射器,其输出功率效率高达98%;加工成实物并内置于回旋振荡内进行热测实验,在回旋管的输出窗处获得了高斯分布的烧斑图.此结果表明测试结果与计算基本一致.     

206 GHz光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔的模式选择功能,实现光子晶体谐振腔回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合,并成功抑制了模式竞争。通过对光子晶体谐振腔禁带特性的分析,定出了工作模式为TE23模,还建立了光子晶体谐振腔回旋管的等效半径的概念,设计了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE23模能有效地与电子的二次回旋谐波相互作用,其耦合频率为206 GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该二次谐波光子带隙谐振腔(PBGC)回旋管振荡器进行了参数优化,得到了电压40 kV、电流4.2 A、磁场3.925 T、输出功率35 kW、互作用效率21%的二次谐波TE23模PBGC回旋管振荡器。     

95 GHz回旋管内置准光模式转换器仿真设计

 高功率毫米波回旋管输出的高阶模式不利于空间传输,必须进行模式转换。由于不便采用波导模式转换器,因此对内置准光模式转换器进行了研究。内置准光模式转换器由Vlasov辐射器、准抛物柱面镜和相位修正镜组成。基于标量衍射理论和KSA算法,编制了数值模拟程序,设计了相位修正镜。计算分析了参考平面处的场分布,表明该准光模式转换器的标量转换效率大于98%,矢量转换效率大于93%。计算结果表明,该方法可以高效地指导准光模式转换器的设计。     

A cavity with reduced mode conversion for gyrotrons

Mode conversion at discontinuities of an ordinary gyrotron cavity is examined. It is shown how the production of unwanted spurious modes can be reduced substantially by introducing smooth transition regions between the individual parts of the cavity. The cavity of the 140 GHz KfK gyrotron operating in the TE_10,4 mode is used as an example. Cavity and adjacent tapered output waveguide are optimized as a single unit.     

94GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数,优化设计了一支94GHz光滑缓变结构回旋管,当电子注电压50kV,电流6A,横纵速度比1.4,工作磁场3.548 5T时,在频率94.099GHz处得到了41%互作用效率,约120kW的功率输出;与折变结构回旋管相比,缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27dB,注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。     

高功率回旋振荡管Denisov型辐射器的研究

研究了一种用于高功率回旋振荡管准光模式变换系统的高效率Denisov型辐射器. 基于Bessel函数的积分展开及几何光学理论,系统地分析了圆波导中电磁波的传播过程及Denisov型辐射器降低衍射损耗的机理;分析了在圆波导内壁上工作模式与耦合模式叠加形成准高斯型场分布的过程. 从Bessel函数导数的本征值出发,给出了不同工作模式在Denisov型辐射器预聚束波导段选择目标耦合模式的一种普适方法,同时给出了Denisov型辐射器的设计方法. 依据上述理论分析编写了计算程序,并对一支140 GHz,工作模式为TE_28,8,1 MW长脉冲回旋振荡管进行了对比验证,计算结果与文献报道的结果具有很好的一致性. 关键词： 回旋管 准光辐射器 耦合模理论 模式变换     

Denisov-type quasi-optical mode converter forhigher-order asymmetric volume mode gyrotron北大核心CSCD

The principle and design method of Denisov-type quasi-optical mode converter is investigated indetail. The operation process of the Denisov-type launcher is analyzed by applying the geometrical optics, andthe Gaussian-like field distribution achieved on the waveguide wall is also derived. The method for designing arippled-wall launcher is proposed on the basis of coupled mode theory. A simulation code for Denisov-type qua-si-optical mode converter GQOMC-D is developed based on coupled mode theory, vector diffraction integrationand physical optics, which is compared to the design parameters and experimental results reported in literaturefor its validity. According to this code, a Denisov-type quasi-optical mode converter used in 110 GHz TE22.6mode gyrotron oscillators is designed. Simulation results indicate that a Gaussian-like beam is obtained at theoutput window with a scalar content of 98.4 % and a conversion efficiency of 94.7 %.     

An improved design for quasi-optical mode conversion of whispering gallery mode gyrotron radiation

Results are reported of a theoretical and experimental investigation of a quasi-optical mode converter for the transformation of whispering gallery mode gyrotron output into a linearly polarized Gaussian like beam. The mode converter consists of a helically cut waveguide launcher, similar to that originally proposed by Vlasovet al, followed by a focusing mirror. Theoretical results using aperture field methods indicate that the length of the waveguide launcher is of critical importance in providing a confined radiation pattern. Experimental results on the radiation pattern were obtained for several launcher lengths using a 0.6 MW, 149 GHz pulsed gyrotron operating in the TE_16,2 mode. Radiation pattern results for the optimum launcher length agree well with theoretical calculations using the Stratton-Chu aperture radiation theory for unperturbed waveguide modes. A mirror focusing in the azimuthal direction was designed by a geometrical optics approach to focus the radiation coming from the launcher. Good focusing with 91.4% efficiency (power in the focused beam divided by gyrotron power) was found experimentally using the combined launcher and mirror with the pulsed gyrotron. These results indicate that quasi-optical antennas are useful for transforming high order, high frequency gyrotron modes into directed beams in free space.     

Investigation of a Broadband Quasi-Optical Mode Converter for a Multi-Frequency 1 MW Gyrotron

A broadband quasi-optical (QO) mode converter for a multi-frequency gyrotron has been designed and tested at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK). The launcher is optimized for the TE_22,8 mode at 140 GHz, but the radiated beams present an almost identically focused pattern for all 9 considered modes between 105 GHz (TE_17,6) and 143 GHz (TE_23,8). Combining with a beam-forming mirror system, which consists of a quasi-elliptical mirror and two phase-correcting mirrors with non-quadratic surface contour, further calculations show that efficiencies of more than 94% have been achieved for converting the rotating high-order cylindrical cavity modes into the usable fundamental Gaussian mode. Low power (cold) measurements show a good agreement with theoretical predictions. This QO mode converter can be used for the broadband operation of a multi-frequency 1 MW gyrotron.     

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。     

94GHz的TE_(11)-HE_(11)模式变换器设计

基于模式匹配技术的迭代综合方法优化设计了94 GHz的TE11-HE11模式转换器。采用商用电磁仿真软件对设计的模式变换器的性能进行了验证,两者结果基本一致。在88~102 GHz的频带范围内,模式输出纯度超过98%,其中最大模式纯度为99.1%。设计的基于半径微扰的光滑壁圆波导结构的模式变换器结构简单,易于加工,同时避免了波纹模式变换器波纹间隔易发生击穿的弊端。