同轴插板式TEM－TE11模式转换器的设计与实验研究

 介绍了同轴插板式TEM－TE₁₁模式转换器的设计:在同轴波导内沿径向插入四块金属板，将同轴TEM模转变为扇形截面波导TE11模，通过控制插板的长度使不同扇形截面波导输出TE₁₁模的相位不同，最后在圆波导内形成TE₁₁模；通过在插板的前端设置角向均匀分布的金属杆，实现了模式转换器的良好匹配。实验测得模式转换器的辐射方向图轴向最大，与数值计算结果吻合良好，表明实验中模式转换器的输出模式与数值计算结果一致，从而验证了同轴插板式模式转换器的可行性。     

S波段低磁场紧凑型相对论磁控管设计

针对高功率微波器件的低磁场小型化发展需求,设计了工作在S波段的低磁场紧凑型相对论磁控管,建立了三维仿真模型。设计衍射输出结构,输出模式为TE11模。在圆波导中TE11模具有最小的截止半径,因此选取TE11模输出比高阶模输出具有更小的波导半径。分析了磁控管的输出性能随磁场、输出波导半径和倾斜角的变化规律。在磁场0.34 T、电压352 kV条件下,模拟仿真结果显示磁控管输出功率达到567 MW,功率转换效率为62.5%,在频率为2.37 GHz时波导半径仅为77.5 mm。     

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。     

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。     

2π工作模式下可调谐同轴辐射相对论磁控管的模拟研究

采用三维粒子模拟,开展了2π工作模式下同轴辐射相对论磁控管的频率调谐研究.利用在互作用区的谐振腔中填充固体电介质来实现器件的频率调谐.通过改变电介质的相对介电常数以及内半径考察了所研究的同轴辐射相对论磁控管的工作频率、平均输出功率以及效率的变化情况,并对电介质的频率调谐作用进行了简单的理论分析.模拟结果表明:在不改变基本结构参数以及工作点的情况下,仅调整固体电介质的相对介电常数或内半径实现了所研究的同轴辐射相对论磁控管S波段到L波段的跨频段调谐;电介质的插入同时也改善了输出性能,当相对介电常数在6–15且内半径在4.18–4.40 cm之间时,功率效率得到提升,提升幅度可达80%,单边调谐宽度小于55%. 关键词： 频率调谐 同轴辐射磁控管 粒子模拟 高功率微波     

一种新型同轴TEM-圆波导TE11模式变换器

 提出了一种新型同轴插板式模式变换器，可以实现同轴TEM到圆波导TE₁₁模式的变换。介绍了这种模式变换器的工作原理：即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板，将同轴TEM模变换成扇形截面波导TE₁₁模，进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性，在同轴波导中形成同轴TE₁₁模，最后将同轴TE₁₁模转换为圆波导TE₁₁模式。基于这一原理设计了一个中心频率为3.8GHz的同轴TEM-圆波导TE₁₁模式变换器，并进行了数值模拟。模拟结果表明：这种模式变换器可以承受高功率，中心频率上转换效率为98.5%，转换效率大于90%的带宽超过10%，在3.5~4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。     

高边模抑制比窄线宽的光纤光栅外腔半导体激光器

本文从耦合腔理论出发分析了光纤光栅外腔半导体激光器的模式选择,得到了为达到稳定的高主边模抑制比所需的短外腔、短光纤光栅的器件设计原则.制作了两只光纤光栅外腔半导体激光器,Q₁为短外腔(<2mm)、短光纤光栅(4mm)结构,Q₂为长外腔(20mm)、长光纤光栅(17mm)结构.测量Q₁的主边模抑制比为35dB,Q₂的主边模抑制比为10dB.     

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。     

混合应变多量子阱有源材料及其增益偏振特性

采用MOCVD外延交替生长了压应变、张应变In_xGa1-xAs_yP1-y多量子阱材料,对应1.3 μm波段.平均应变量-0.16%,周期11 nm.采用三个周期外延材料的芯片制作的LD,实现了TE和TM双偏振模激射.     

Pockels介质平板中的光波传输

本文讨论了非线性对称平板波导中的TE波的偶模及奇模的传输问题.平板波导的芯区材料是由Pockels介质所构成,包层与衬底是相同的线性材料.Pockels介质的介电系数为ε=n²+α|E|,故问题归结为求解芯区的传输方程.本文给出了芯区、包层及衬底中光波的解析解以及传播常量β的本征值方程等.     

Experimental investigation of a compact relativistic magnetron with axial TE₁₁ mode radiation

As one of the relativistic electron tubes having compact configuration and high efficient output,the relativistic magnetron with direct axial radiation is very attractive in pulsed power and high power microwave fields for industrial and military applications.In this paper,the experimental investigation of a relativistic magnetron with axial TE 11 mode radiation is reported.Under a total length of ～ 0.3 m,volume of ～ 0.014 m 3,working at an applied voltage of 508 kV and a magnetic field of ～ 0.31 T,the relativistic magnetron radiates a microwave of 540 MW with the TE 11 mode at 2.35 GHz in the axial direction.The power conversion efficiency is 15.0%.After a lot of shots,the detected amplitudes of microwaves are nearly the same.The fluctuations of wave amplitudes are less than 0.3 dB.     

Experimental investigation of a compact relativistic magnetron with axial TE11 mode radiation

As one of the relativistic electron tubes having compact configuration and high efficient output, the relativistic magnetron with direct axial radiation is very attractive in pulsed power and high power microwave fields for industrial and military applications. In this paper, the experimental investigation of a relativistic magnetron with axial TE11 mode radiation is reported. Under a total length of - 0.3 m, volume of - 0.014 m3, working at an applied voltage of 508 kV and a magnetic field of - 0.31 T, the relativistic magnetron radiates a microwave of 540 MW with the TE11 mode at 2.35 GHz in the axial direction. The power conversion efficiency is 15.0%. After a lot of shots, the detected amplitudes of microwaves are nearly the same. The fluctuations of wave amplitudes are less than 0.3 dB.     

阵列馈源偏置抛物面天线合成高功率微波的研究

 运用物理光学分析方法，对使用7单元的扇形喇叭一维阵列和角锥喇叭或圆锥喇叭三角形阵列喇叭束作为单偏置抛物面天线的馈源，空间合成高功率微波进行了比较研究，数值分析表明在阵元输入功率、口面最大场强、天线口径、净空间及天线边缘照度相同,且阵列馈源具有准轴对称主瓣条件下，扇形喇叭构成的一维阵列馈源与单偏置抛物面组成的天线系统的方向性系数和溢出效率优于采用角锥喇叭三角形阵列馈源或圆锥喇叭三角形阵列馈源的天线系统。若将喇叭束直接作为辐射天线使用，由于圆锥喇叭三角形阵列方向性系数对阵元间相位波动的稳定性较好，而更具优势。     

径向双层介质加载圆波导的TE_(11)-HE_(11)模式转换天线

介绍了径向双层介质加载圆波导的TE_(11)-HE_(11)模式转换天线的设计原理、实验方法及结果。该模式转换天线由圆波导TE_(11)-HE_(11)模式转换器和辐射器组成:圆波导TE_(11)-HE_(11)模式转换器是在圆波导内沿径向加载两种不同介电常数的微波介质来完成模式转换,辐射器采用开口圆波导或小张角圆锥喇叭将HE_(11)模辐射出去。应用HFSS软件对设计的两种模式转换天线进行模拟优化,数值结果显示这两种天线在线极化和圆极化工作状态下其E面、H面辐射方向图在一定波瓣宽度内均具有较高的等化特性及低副瓣电平。应用矢量网络分析仪和频谱分析仪对线极化TE11模激励状态下的两种模式转换天线的增益和驻波系数进行测试,测试结果表明:在中心频率9.4GHz频点辐射器采用开口圆波导或小张角圆锥喇叭时天线增益分别为11.21dB和15.58dB,且驻波系数均小于1.05。实测结果与仿真结果基本一致,证明了该模式转换天线技术的可行性与正确性。     

线框馈电抛物反射面高功率电磁脉冲辐射天线

 研制了一种由高功率宽带模式转换结构、导电线框TEM喇叭馈电结构及抛物反射面构成的天线,用其辐射高功率亚纳秒电磁脉冲。时域测试表明,在半宽为700ps、峰值电压为200kV脉冲激励下,天线的主瓣宽度约为±3.8°,辐射效率约为37%。     

类磁控管结构的理论分析

利用场匹配法得到了类磁控管结构的色散关系以及场函数表达式的同时, 利用高频电磁场分析软件验证了所得结果正确性, 并改变结构参数考察了截止频率的变化情况. 最终结果表明: 在保证其他参量不变的前提下,π模截止频率随外半径的减小, 内半径的增大或谐振腔数的增多而提高, 随谐振腔张角的增大而降低. 所得结果对于分析同轴辐射相对论磁控管的模式转换和传输特性奠定了基础.     

轴向反馈式虚阴极振荡器辐射微波模式的远场测定

 采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM₀₁-TE₁₁模式转换器时的微波辐射方向图，接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m，满足远场条件。结果表明：两种情况下的辐射主模式分别为TM₀₁模式和TE₁₁模式，从而证实了在实验装置轴对称的条件下，轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM₂模式。对辐射模式的分析表明，TM₀₁模式纯度约为90%，TE₁₁模式的辐射功率为TM₀₁模式的5%左右；TE₂₁，TE₀₁和TM₁₁模式三者的总辐射功率较TM₀₁模式低一个量级以上，微波辐射功率大于300 MW，辐射频率为4.6 GHz左右，微波脉宽大于40 ns。     

基于极化旋转超表面的圆极化天线设计

本文通过设计出一种反射型极化旋转超表面,在8—12 GHz频域内实现高效的极化旋转,并将其加载于微带缝隙天线下方构成新型的极化旋转超表面天线,利用超表面的90°极化旋转效应,成功实现了天线的圆极化辐射调制.仿真与实验结果表明:圆极化天线的中心工作频率为GHz,阻抗带宽为8.3—10 GHz.当微带缝隙天线与极化旋转超表面的间距H=4.5mm时,天线在8.3—8.8 GHz频带内实现了圆极化辐射;当mm时,天线在8.8—9.3 GHz频带内实现了圆极化辐射;当=8mm时,天线在9.3—10 GHz频带内实现了圆极化辐射.实验结果与仿真结果相符,证明了此种设计方法的有效性,也为微带缝隙天线的圆极化设计提供了一种新的途径.     

基于长缝耦合的紧凑型TE31-TE11高功率微波模式变换器

提出了一种新型的TE31-TE11模式的紧凑型高功率微波模式转换器结构，在对比分析TE31和TE11两个模式的场分布特征相互关系基础上，通过在输入和输出圆波导组成的内外套筒结构和适当布置镜像对称分布的轴向耦合长缝，实现在小于1.2个波长的轴向长度内将相对论磁控管产生的L 波段TE31模式高功率微波转换为可定向辐射的圆波导TE11模式，采用全电磁波仿真结合Taguchi方法优化了模式转换器的几何参数，在工作频点获得的仿真模式转换效率为99%，效率高于95%的带宽达到10%，并对其工作于真空环境下的瞬态功率容量进行了仿真分析，理论的瞬态功率容量可达到3.4 GW。     

X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计

为了提升高功率微波辐射天线的带宽,提出并设计了一种X波段高功率圆极化反射阵列天线,该天线采用喇叭天线作为馈源,阵列天线单元由可旋转金属双螺旋线构成,通过旋转螺旋线可以实现360°的相位补偿,同时反射损耗极小。设计了15×15矩形栅格螺旋反射阵列天线,全波仿真结果表明:该口径为315 mm的阵列天线在中心频点9.3 GHz下,增益为28 dB,轴比为0.53 dB,口径效率为52.6%;在8.5~10.9 GHz的频带范围内增益大于26.8 dB,轴比小于1.14 dB,1 dB增益带宽和40%以上口径效率带宽均大于21%;在真空中所能承受的最大功率约为207 MW。