高功率弯波导TE01-TM11模式变换临界角分析

在模式耦合理论的基础上，采用传统的波导轴线圆弧弯曲的方法，对TE01－TM11模式变换器的临界角进行了全面的优化分析。得出在临界角情况下，若考虑多模因素，则不能使TE01－TM11的能量发生全转换，而真正的最优化能量全转换角在临界角的附近，且转换的效率与弯波导曲率相关。     

8mm高功率过模弯曲圆波导TE01—TM11模式变换

在模式耦合理论的基础上,采用传统的波导轴线常弯曲和改进的波导轴线正弦弯曲方法,对TE01—TM11模式变换器的几何结构进行优化分析,得到了最优几何参量.以波导轴线正弦弯曲结构设计的8mm高功率圆波导TE01—TM11模式变换器的转换效率达到99%,带宽超过32%.同时还研究了蛇形线圆波导TE01—TE11模式变换器 关键词： 圆波导 弯曲波导 模式变换 耦合波方程     

圆波导TM_(01)-矩形波导TE_(10)模式转换器

设计了一种高功率圆波导TM01-矩形波导TE10模式转换器,可以实现圆波导TM01模式与矩形波导TE10模式之间的相互转换。仿真结果表明:中心频率为9.7GHz时该模式转换器转换效率大于99.99%,回波损耗小于-40dB,转换效率大于90%时的带宽大于0.4GHz。调节底面短路圆波导长度可以实现模式转换器在9.2~10.1GHz范围内调谐(模式转换效率大于99%)。在圆波导和耦合段连接处引入倒角可有效降低场强,提高功率容量,注入功率0.7GW,其表面场强小于1 MV/cm。     

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%。     

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%。     

聚合物填充的狭缝波导定向耦合器的数值分析(英文)

利用亥姆霍兹方程和有限差分法,给出一种用于分析聚合物SU-8填充的双狭缝波导定向耦合特性的数值方法,推导出双耦合狭缝波导模式特性的特征方程,并做了离散化和稀疏化处理,得到耦合波导的模式场分布和有效折射率.通过求解最高阶偶对称和最高阶奇对称模式的有效折射率,得到TE和TM偏振态下定向耦合器的耦合长度.数值分析结果表明,当耦合间距小于800nm时,耦合长度小于100μm.利用椭偏仪测得狭缝波导各层材料的光学参数随工作波长的色散关系,研究分析了双狭缝波导耦合长度和模式损耗的色散特性.分析显示,随着工作波长的增大,两种偏振模式下的耦合长度均减小,且TM模式下的耦合长度大于TE模式下的耦合长度,当工作波长为1 550nm时,二者分别为28.2和26.2μm(两狭缝波导间的耦合间距为0.5μm时).同时,模式损耗也随波长的增大而减小,且TE模式损耗大于TM模式损耗,当工作波长为1 550nm时,TE及TM模式的振幅衰减系数分别为5.65和3.16dB/cm.     

对称平面单轴晶体金属波导的模式场(1)

由于平面各向异性介质金属波导的重要应用,本文讨论了光在对称平面单轴晶体金属波导(波导层是单轴晶体,两个波导界面均为金属)内的传输特性.对于晶体光轴位于波导界面法方向与传输方向构成的平面内的特殊波导结构,利用麦克斯韦方程组并结合单轴晶体的性质,精确解出了波导模式场.结果表明:1)此种特殊结构波导内存在横电波(TE)和横磁波(TM);2)TM波的坡印廷矢量与波矢方向不在一条直线上;3)波导层为负单轴晶体时波导主模是TE波主模,而波导层为正单轴晶体时波导主模是TM波主模.     

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。     

矩形波导TM_(11)-TE_(10)模式转换器的初步设计

设计了一种矩形波导隔断插板式TM11-TE10模式转换器。其结构是在矩形波导横截面窄边的中部,平行于横截面宽边插入一块金属平板,将其等分为上下两个矩形波导,将TM11模式转换为分别位于上下两个矩形波导内相位相反的TE10模式。然后分别在上下两个矩形波导内,平行于窄边等间距地插入一组金属薄板。TE10模式微波经过轴向长度差为合适值的上下两组插板后,相移差变为180°,使原本相位相反的TE10模式转为同向,最后通过阻抗渐变合成单个波导的TE10模式。该模式转换器可与带状电子束高功率微波源共轴,其横向最大尺寸可与带状电子束高功率微波源矩形输出口保持一致,轴向长度较短,结构简单、紧凑。利用有限元算法仿真软件,对该设计方案进行了验证和初步优化设计。初步的设计结果表明:当相对带宽为10%时,TM11至TE10模式的转换效率大于-0.45 dB,可满足带状电子束高功率微波源对输出结构的设计要求。     

非对称金属包覆左手介质平板波导的微扰分析

基于微扰方法分析非对称金属包覆左手介质平板波导的特性,给出了该波导的复有效折射率的一级近似解,并对波导的传输特性和损耗特性进行了数值模拟.结果表明:非对称金属包覆左手介质平板波导没有零阶模式;TE1模传播系数随波导厚度的增加迅速减小,损耗系数随波导厚度的增加快速增加,达到最大值后又迅速减小;非对称金属包覆左手介质平板波导传输特性相对于左手介质三层平板波导传输特性发生了很大改变,TM1模,TM2和 TE2模式以及更高阶模式在截止厚度附近出现双值现象;特别在二阶及高阶模式中,TE模式相对于TM模式具有高传输低损耗的特性,而以右手介质为芯层的金属包覆波导不具有这一特性.     

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.     

紧凑型圆极化模式转换器

 提出了一种结构紧凑的、能将圆波导TM01模或同轴波导TEM模转换为圆极化TE₁₁模的高功率微波模式转换器。该转换器由前后2个十字转门波导结对接组成,前者首先把圆波导TM₀₁模转变为4个矩形波导中的TE₁₀模,4个矩形波导的长度不等;后者再把4个经过不同相位延迟的矩形波导TE₁₀模转变为圆波导中的圆极化TE₁₁模。对所设计的1.75 GHz模式转换器进行了仿真研究,在中心频率上,该模式转换器转换效率为99%,轴比为0.03 dB;在1.575~1.900 GHz的频率范围内,转换效率大于90%,轴比小于2.5 dB,对应带宽为18.6%。     

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。     

一种新型慢波结构TM01-TE11模式转换器的数值模拟

 设计了一种新型L波段慢波结构式圆波导TM₀₁-TE₁₁模式转换器，该转换器的尺寸为φ15.0 cm×40.8 cm，通过金属分割片将圆波导分成两个180°区域并在其中一个区域内设置半环形慢波结构。当TM01入射时，在两个区域内激励起扇形波导TE11模式，由于慢波结构的存在，该模式在两个区域内的传播常数不一样。适当调节慢波结构的参数，可使两个区域内传输的扇形TE11模式在金属分割片尾部相位相差180°，这两个扇形TE11模式耦合成为圆波导TE11模式输出，实现模式转换。建立数值模型并进行了模拟，结果表明在工作频率1.8 GHz处转换效率96%，反射率低于0.04，功率容量超过1.7 GW。     

TE01-TE11模式变换器的迭代设计方法

 对模式变换器的迭代设计方法做了改进：给出了合理的迭代步长初始值取值方式;在迭代时只考虑了贡献较大的几条耦合线,而忽略了贡献小的耦合线,从而改善带宽。利用改进的迭代设计方法设计了波导直径与自由空间波长比值为2.765 5的TE₀₁-TE₁₁模式变换器,总长度为600 mm,相对带宽为6%,中心频率转换效率为99.14%,总计算时间为40 s。利用CST软件进行了仿真验证,结果吻合较好。     

过模圆转弯波导的设计与实验

 研究了一种新型的过模圆转弯波导,可实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。介绍了这种过模圆转弯波导的基本原理：即沿转弯平面插入一块金属板,将圆波导转换为两个半圆波导。圆波导TM₀₁模在半圆波导中转换为半圆波导TE₁₁模,经转弯传输后,重新将半圆波导TE₀₁模转换为圆波导TM₀₁模,从而实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。基于这一原理设计了一个中心频率为2.856 GHz、转弯45°的过模圆转弯波导,并进行了数值模拟和实验研究。实验结果表明：其转弯半径为123.7 mm,转弯半径较小;在中心频点2.856 GHz处,传输损耗约为0.247 dB,驻波系数为1.217;在2.75～2.95 GHz的频率范围内传输损耗小于0.53 dB,驻波系数小于1.34。     

低过模高功率微波方圆模式转换器设计

 设计了一种结构简单的高功率微波方圆模式转换器,可以实现圆波导TM₀₁模式与矩形波导TE10模式之间的相互转换。转换器工作在C波段,中心频率4.1 GHz,其输入端口和输出端口相互垂直。计算和仿真结果表明:中心频率处该模式转换器的转换效率可达99%,回波损耗小于-20 dB,转换效率大于90%的带宽大于0.2 GHz。转换器整体3维尺寸都只有10 cm左右。     

Ti扩散LiNbO_3光波导的喇曼散射

本文报道Ti扩散LiNbO_3光波导中四种直角配置的喇曼散射光谱。实验中,我们观测到了在这些配置下异常的喇曼光谱现象。这一现象可归结为光波导中入射光TE/TM模式的变换行为。     

相对论返波管模式变换器的研究

 根据相对论返波管的需求设计计算了一种模式变换器兼反射器。它将工作模式TM₁₁模转换成TE₁₁模的同时将TE₁₁模反射回去,用普通的喇叭形成高斯波束发射输出。在我们的设计方案中,它是旁壁对称正弦波纹的圆波导,变换器的中心频率为10GHZ。数值模拟结果显示,变换器的长度为7个周期时,中心频率点转换的效率已经超过了90％,工作频带能够达到± 0.3GHz。