螺旋分布孔高阶旋转模式激励器的设计（英文）

针对Danilov(2007)提出的高阶模式激励器纯度未知和设计思路模糊的不足,介绍了一种改进型螺旋分布孔高阶旋转模式激励器,以实现同轴TE1,1模式到圆波导TE5,3模式的高纯度转换。根据不均匀弦方程,编制了数值计算程序对同轴腔体结构参数进行了优化计算,使工作模式能够有效谐振。基于小孔衍射理论以及PEC表面的电场边界条件,详细研究了螺旋分布孔的排列方式和模式抑制器的工作原理。数值计算和仿真结果表明:在中心频率30GHz附近,TE5,3模式激励器的模式纯度高达97.4%,转换效率为96.1%。设计的高阶模式激励器相对于Danilov的结构具有纯度高和紧凑的性能。     

V波段圆波导TE_(01)模式激励器

V波段圆波导TE01模式激励器由矩形TE10模式到矩形TE20模式变换器和矩形TE20模式到圆波导TE01模式变换器组成。采用H面(磁面)转弯激励的方式实现矩形TE10模式到矩形TE20模式的变换;根据圆波导TE01模式的场分布特性,引入过模波导实现了矩形TE20到圆波导TE01的变换。计算结果表明设计的激励器转换效率在95%以上;模式纯度在98%以上的相对带宽可达4.2 GHz;其中在43.4 GHz处的最大转换效率为99.08%,纯度为99.20%。     

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     

高功率微波弯曲矩形波导设计

 利用模式耦合理论,在理论推导出弯曲矩形波导TE01模和高阶模之间耦合系数显式表达的基础上,对弯曲矩形波导进行了实例研究。HFSS软件数值仿真结果表明：设计的矩形波导TE01-TE02模式转换器在9.5 GHz转换效率达到99.9%,转换效率大于90%的工作带宽为8.60～10.48 GHz;设计的弯曲矩形波导传输线,可有效传输TE01模,不激励起高阶模式。HFSS数值仿真结果验证了所设计的传输线工作带宽和功率容量均能够满足使用要求。     

同轴腔高阶模式回旋管振荡器中多模起振过程的非线性模拟

给出了工作在高阶模式下的同轴腔回旋管振荡器,在考虑竞争模式情况下的多模起振过程的数理模型和具体的数值计算方法。以此为基础编制的程序对一只工作于高阶模式TE42, 22,频率为0.22 THz的同轴腔回旋管振荡器进行了多模非线性模拟研究。结果表明:在合适的腔体结构参数并考虑腔壁上的欧姆损耗情况下,竞争模式得到有效抑制,可以稳定地工作在单一模式,输出功率达0.87 MW,效率为22.8%,腔壁上的欧姆损耗低于其所能承受的最大值。     

具有同轴结构的高功率微波弯曲波导设计

 基于模式耦合理论,在理论推导出弯曲同轴波导TEM模和同轴TE11模之间耦合系数显式表达的基础上,报道了可传输同轴TE11模的弯曲同轴波导的设计方法和计算结果,并进行了实例研究。数值仿真结果表明：设计的具有同轴结构的弯曲波导,利用不同的同轴空间,在P,L,S波段中心频率0.680,1.575和3.75 GHz处TE11模单模传输效率超过了99.5%,单模传输效率超过90%的工作带宽分别为0.60～0.83,1.10～2.42和3.10～4.16 GHz。该结构的功率容量在各频段均达到了GW量级。     

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%。     

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.     

径向线型模式变换器

 研究了一种通过改变波导内场分布的旋转对称性,可将高功率微波源输出的TEM模或TM01模转换为TE11模的径向线型模式变换器。介绍了该模式变换器的基本原理,即采用金属插板将同轴波导TEM模变换为4路90°扇形波导TE11模,各路扇形波导间所需的输出相位差通过将扇形波导转换为双层径向线传输来实现。基于这一原理,设计了一个中心频率为1.6 GHz的同轴TEM-TE11模式变换器,并进行了数值模拟计算,结果表明该模式变换器具有较高的功率容量,中心频率处反射系数为0.05,模式转换效率为99%,在1.52~1.68 GHz的频带范围内,模式转换效率大于90%。     

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。     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流，其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下，同轴波导中的束流具有更高的动能，同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程，利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时，编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果，可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模，频率为7.67 GHz，峰值时间增长率较高，电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率，还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。     

L波段紧凑型TEM-TE11模式转换器

设计了一种适用于窄带高功率微波源系统的紧凑型TEM-TE11模式转换器。该结构首先将同轴波导沿角向分区使微波在各分区内相位传播常数不同,然后将相位传播常数较大的分区进行横向折叠设计以缩短系统轴向长度。分区传播的微波在模式转换器末端相位差达到180时,合成同轴波导中TE11模式。为L波段磁绝缘振荡器设计了模式转换器,并采用数值仿真程序进行计算,在1.31 GHz中心频率上,模式转换器转换效率为95%;在1.23~1.40 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽13%。将模式转换器应用于磁绝缘振荡器,并测量了天线的定向辐射能力,所得结果与设计一致。     

回旋速调管变周期TE01-TE11模式变换器

针对蛇形圆波导变换器尺寸大和带宽窄的不足,提出了变周期蛇形圆波导模式变换器,以实现TE01到TE11模式的高效率转换。根据耦合波方程,编制了优化计算程序,对工作于30.5 GHz、半径为16 mm的变周期以及传统蛇形变换器几何结构分别进行了优化计算,得到了可实现最高模式变换效率的几何参量。计算结果表明:传统结构变换器最优长度长达1 056.97 mm,转换效率98.1%,90%以上转换带宽也仅为3.3%;变周期变换器最优长度为769.53 mm,转换效率为99.3%,90%以上转换带宽为5.9%。变周期结构相对于传统结构的模式变换器具有尺寸小和带宽宽的明显优势。测试表明所提出的模式变换器具有良好的模式变换性能。     

Proof of Principle Experiments on Direct Generation of the $hbox{TE}_{11}$ Mode in a Coaxial Vircator

Experiments on a coaxial vircator with a sectioned emitter are reported. The emitting area is sectioned to form two opposing emitters in order to favor growth of the $hbox{TE}_{11}$ mode and inhibit growth of the $hbox{TM}_{01}$ mode that is usually excited in a coaxial vircator. Experiments are performed using a compact 320-J 400-kV Marx generator and a compact coaxial vircator built in a standard 8$^{primeprime}$ vacuum tube. The radiated magnetic-field strength is measured by means of four free-field (B-dot) probes, and experiments show that sectioning the emitter does, in fact, lead to generation of the $hbox{TE}_{11}$ mode.      

A Single-Ridged Coaxial Hybrid TE011 Coupler with High Mode Purity

We design a single-ridged coaxial hybrid coupler which excites a TE₀₁₁ mode of high mode content in a cylindrical cavity, resonating at 28.2GHz. The coupler consists of a WR-28 rectangular waveguide, a coaxial TE_n11 cavity, and a cylindrical TE₀₁₁ cavity. Both TE₃₁₁ coaxial cavity and TE₄₁₁ single-ridged coaxial cavity are analyzed to examine the TE₀₁₁ mode purity in the central cavity. Mode purity analysis is performed by a field expansion method using Fourier-Bessel orthonormal basis functions. Numerical calculations predict that the TE₄₁₁ single-ridged coaxial cavity excites the TE₀₁₁ mode with mode purity of 98.6%, which is improved by 3% higher compared with the TE₃₁₁ coaxial cavity. Measurements on the single-ridged coaxial coupler show a resonant frequency at 28.078GHz and ohmic and external Qs of 1560, 473 respectively, which are in good agreement with the simulated results of a 3-D finite element electromagnetic code.     

Optimized overmoded TE01-to-TM11 mode converters for high-power millimeter wave applications at 70 and 140 GHz

Mode coupling in bent, oversized, smooth-wall circular waveguides was studied by means of numerical integration of coupled-mode differential equations in order to optimize high-power TE01-to-TM11 mode transducers at 70 GHz and 140 GHz. Such mode transformers are used in the mode conversion sequence TEOn to TE01 to TM11 to HE11 for generating the almost perfectly linearly polarized Gaussian-like HE11 mode from circular electric TEOn gyrotron modes. This quasi-optical HE11 hybrid mode is in many respects ideal for electron cyclotron resonance heating (ECRH) of magnetically confined plasmas in thermonuclear fusion research and for other technical applications. Curvature and ellipticity coupling as well as ohmic attenuation of 6 coupled modes (TE01, TM11, TE11, TE12, TE21, TM21) are included in the coupling matrices. Integral expressions were used for deriving the coupling coefficients for arbitrary modes in bent, smooth-wall waveguide. Lowest level of unwanted spurious modes together with highest transmission efficiency (shortest arc length) is achieved with sinusoidal curvature distribution instaed of constant curvature. The calculated conversion efficiencies of 98.0% at 70 GHz and 95.2% at 140 GHz (interior waveguide diameter D=27.8 mm for 200 kW transmission lines) are in excellent agreement with the measured values of (97.6±0.4)% and (95±1)%, respectively.