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。     

95 GHz TE03模回旋管内置渐变波导设计

在耦合波理论的基础上,结合波导渐变曲线给出了普适高阶渐变波导设计方法,研究了95 GHz回旋管内置 TE03模式改进Dolph-Chebychev渐变波导。采用编制的数值计算程序进行优化,得到了可靠的最优几何参量,设计出了紧凑的95 GHz渐变波导。经全电磁场仿真验证,该内置渐变输出结构对杂模的抑制达30 dB,满足设计要求。回旋管的热测实验中测出的模式样图表明,所设计的内置渐变波导有效地实现了回旋管内径变化。该方法可以高效地指导高阶过模圆波导渐变结构的设计。     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器北大核心CSCD

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器,获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法,研究分析了这种复合高频结构中TM_(01)模的谐振特性。然后采用2.5维PIC(Particle-in-cell)软件UNIPIC,模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明:随着周期数的增加,输出太赫兹波中的TM_(02)和TM_(03)等高次模成分降低,TM_(01)模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构,能使得器件输出功率增大50%。     

一种矩形截面切伦柯夫脉塞金属周期慢波结构的分析方法

 分析了矩形截面切伦柯夫脉塞周期金属慢波结构的色散特性,以及结构参数的变化对色散曲线的影响。为避免慢波结构两端突变引起的反射振荡,采用等效电路法分析了用于连接光滑波导和慢波结构的渐变段。将线性形、两段形和指数形的渐变段进行了比较。指数形渐变段末端的功率反射系数最小, 并且整体的变化最平缓, 因此可将其作为实现慢波与快波间转换的较优选择。分析了频率和实际加工误差对指数形渐变段功率反射系数的影响:在频率较小时,功率反射系数也较小;固定频率下,较小的加工误差能使交界处功率反射系数的变化较平缓。在此基础上设计了一个功率反射系数小于0.01的指数渐变段,实现了工作模式和快波模式之间的良好匹配。与耦合模理论分析方法相比,等效电路方法更为简洁,二者结果相符合。     

基于锥形渐变不对称耦合的模式复用/解复用器

设计了一种采用锥形渐变不对称耦合结构的模式复用/解复用器,并利用商用的0.18μm互补金属氧化物半导体兼容工艺进行制备.通过控制锥形波导的宽度,基于模式有效折射率匹配原则,实现锥形波导中的基模与多模波导中的高阶模式相互转化.测试结果表明:当器件用于TE0、TE1和TE2三个模式复用与解复用时,在1 530nm到1 570nm波长范围内,串扰低于-8.05dB;而当器件复用与解复用TE0和TE2时,串扰低于-16.43dB.     

渐变段倾角对渐变复合腔特性影响的分析

 利用模式耦合理论，在考虑多模耦合的情况下，对渐变结构复合腔进行了冷腔分析，计算了H₅₁-H₅₂模式对下，各个模式的耦合及场幅值分布情况，分析了渐变段的倾角对渐变复合腔的Q值及场幅值分布的影响。研究表明：渐变段的倾角对渐变结构复合腔的高频特性有很大的影响，特别是各模式的场分布及Q值，合适地选择渐变角度，能使场幅值放大率比较大，这将有利于提高注-波互作用效率。     

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。     

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。     

94GHz渐变复合腔二次谐波回旋管的设计

根据注-波互作用自洽非线性理论,编写了分析渐变复合腔的计算程序,通过该程序,获得了工作模式对为TE021-TE031的注-波互作用腔体和相关电磁参量的优化结果。应用粒子模拟软件对设计的复合腔进行了模拟,模拟与数值计算结果基本一致。根据计算结果研制了二次谐波回旋管,在加速电压57.5kV、电流10A下,测得其工作频率为94GHz,输出模式为TE01,峰值功率和效率分别为156kW和27.1%。计算、模拟和实验结果基本一致。     

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.     

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°。     

A very short vertical directional coupler with polarization-insensitive high extinction ratios

We propose a very short vertical directional coupler with polarization-insensitive high extinction ratios. The structure of the coupler has two deep-ridge waveguide structures in the upper and lower parts which can be implemented using a double-sided wafer process. The coupling length and extinction ratios of the vertical directional coupler with symmetric structures decrease as the thicknesses of the inner cladding layer and core layer decrease. The extinction ratio is improved using a slight asymmetry in the refractive indices of two core layers. As the thicknesses of the inner cladding layer and core layer decrease, the length of the vertical directional coupler for extinction ratios greater than 30 dB of both TE and TM modes decreases. A vertical directional coupler with a very short length less than 100 μm and polarization-insensitive high extinction ratios greater than 30 dB can be implemented using the structure proposed in this paper.     

Apodized fully-etched surface grating coupler using subwavelength structure for standard silicon-on-insulator waveguide

We design and demonstrate the fully-etched apodized grating couplers based on the silicon-on-insulator (SOI) platform using subwavelength structure for both transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) modes operation. The subwavelength grating (SWG) is used to engineer the refractive index using second-order effective medium theory (EMT). The whole designing procedure is given in details, especially a feasible and programmable method is developed to precisely manipulate the coupling strength of each grating cycle. A perfect Gaussian output beam can be synthesized for the TE mode operation, achieving a field overlap up to 98.3% with the Gaussian fiber mode. The simulated peak coupling losses are ?4.63 and ?2.99 dB for the TE mode and the TM mode, respectively, which are comparable with conventional shallowly etched grating couplers, realizing a fabrication simplification without performance penalty. The measured peak coupling loss is ?7.6 dB for the TE mode coupler with a 1 dB bandwidth of 45 nm, and ?6.1 dB for the TM mode coupler with a 1 dB bandwidth of 34 nm.     

高功率TE_(01)过模斜接弯头设计

设计并分析了TE01斜接弯头结构,该结构由两段相同且垂直的模式变换段及与模式变换段呈45°斜接的金属镜面组成。整个结构等效于两个模式变换段对接,但中间存在间距为波导直径的缝隙。模式变换段将纯TE01模式转换为TE01和TE02的混合模式,该混合模式在缝隙中传播时电场呈现对称分布,从而降低了模式转换损耗,提高了传输效率。对设计的Ka波段TE01斜接弯头结构的理论仿真和加工实测结果表明:中心频点转换效率在98%以上,在2 GHz带宽内传输效率95%以上,插损小于0.2 dB,驻波小于1.2。     

W波段回旋管宽带低损耗输入耦合系统

给出了一种十字交叉型TE□10-TE○01宽带模式转换器的设计原理,同时完成了一套W波段低损耗输入耦合系统的设计方案。根据该设计方案在电磁模拟软件HFSS中建立三维模型进行优化仿真。得到了衰减为0.14dB、最大驻波比为1.388、带宽为10GHz的高性能TE□10-TE○01宽带模式转换器。同时计算得到整套传输系统的衰减小于1dB,远小于采用矩形波导TE10模式的衰减(约15dB),大大提高了传输效率,降低了能量损耗。实际加工得到了一对模式转换器,经测试可得其衰减为1dB左右,整套系统的衰减约为3dB,与矩形波导(衰减约为15dB)相比,有了很大的提高。     

On the radiation mode effects in integrated optical directional couplers

In this work we study the effect of radiation modes generated at the input of a directional coupler on its performance. We focus on the splitting ratio and the coupling length of the coupler. The Beam Propagation Method (BPM) is used for numerical simulation. Numerical results are compared to analytical expectations of the coupled mode theory (CMT). We show that, when the coupler is excited by a single mode fibre, ideal 3 dB couplers could be obtained by a simple adjustment of the exciting fibre. On the other hand, when the coupler has input and output bend structures, its coupling length as well as its splitting ratio are affected by the geometry of this bend.     

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。     

Design and simulation of a C-band SLED with mode converter

The transient response analysis of the SLED based on the equivalent circuit is described. Then, a C-band SLED using TE0,1,15 mode cylindrical cavity with TE10-TE01 mode converter has been designed. According to the main RF parameters of the accelerator, the coupling coefficient is optimized to obtain the maximum multiplication factor. The key components of the pulse compressor include a 3 dB directional coupler, a TE10-TE01 mode converter,and a cylindrical cavity, which are simulated and optimized using 3D electromagnetic field simulation software. In addition, the function defining the relation between the coupling factor and aperture size is derived by a mathematical fitting method.     

Design of Coaxial Couplers for High Efficiency Helix TWT

The main objective of the paper is to make an efficient design of the input and output coaxial coupler for a helix TWTs. An approach has been developed for the efficient design and analysis of the coaxial couplers in the practical situation. Normally multi-section impedance transformer approach is used for any wide band coupler. For a space helix TWT, coupler should be wide bandwidth and small size. In this case coupler is matched with helix slow wave structure and the standard 50-ohm connectors. The simulated return loss (dB) profile for different type of couplers is obtained by using Ansoft HFSS, CST microwave studio and compares those with experimental results. The tip loss design at sever ends for the input and the output section has been also optimized.