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。     

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。     

同轴TEM－余矩形TE10模式变换器的优化设计

 用HFSS软件和网络理论对S波段同轴TEM－矩形TE₁₀模式变换器进行了优化设计。其中同轴波导工作于过模状态,可同时传输TEM、TE₁₁、TE₂₁模。模式变换器可应用于高功率微波的能量提取系统,优化设计方法可用于通过短路活塞来实现调配的同轴－矩形、圆波导－矩形的模式变换器。     

高功率毫米波圆波导TM01—TE11模式变换分析

 在数值研究高功率毫米波TM₀₁—TE₁₁光滑弯曲圆波导模式变换的基础上，对弯曲波导的几何结构进行了优化分析。在模式耦合理论的基础上，优化出了比较好的几何结构，并发现了圆波导半径、弯曲圆波导曲率和频率以及频带宽度之间的变化规律。以此数据设计的模式变换器的转换效率可达99%，带宽超过29.8%。     

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。     

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。     

高功率微波弯曲圆波导设计

 报道了可分别传输TM₀₁模和TE₀₁模的两种弯曲圆波导的设计方法和计算结果。研究表明：所设计的TM01模弯曲波导和TE₀₁模弯曲波导在中心频率上传输效率均超过99.5%,传输效率大于95%的带宽分别达到20.0%和14.4%;该两个弯曲波导也分别适用于传输TE₁₁模和TM₁₁模;水平极化TE₁₁模与TM₀₁模、垂直极化TM₁₁模与TE₀₁模在弯曲圆波导中传输时具有相似的传输效率和频带特性;而垂直极化TE₁₁模、水平极化TM₁₁模由于不易和其它模式耦合,在弯曲波导中传输时具有较高的传输效率。     

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。     

X波段高功率微波TE11模圆极化器

 基于圆波导TE₁₁模的模式简并特性和微波在椭圆波导中传输两个正交TE11模式相速不同的性质,研制了一种带有椭圆波导结构的圆波导TE₁₁模圆极化器。该圆极化器通过圆波导到椭圆波导的过渡段,将输入的线极化TE₁₁模式分成两个等幅、正交的TE₁₁模,然后调整椭圆波导长度,使得两个正交的TE₁₁模式的相位差为90°,实现了TE₁₁模式微波线极化到圆极化的转换。利用时域有限差分软件优化设计了该圆极化器,并按照优化的结构尺寸加工了一套实验装置进行了实验测试,测试结果表明：在工作频率9～10 GHz范围内,该圆极化器轴比小于1 dB,驻波比小于1.1,且功率容量大于1.6 GW。     

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。     

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。     

Waveguide mode converter based on two-dimensional photonic crystals

We propose and numerically analyze a novel mode converter based on two-dimensional photonic crystal waveguides with square arrays of cylindrical dielectric rods in air. The mode converter uses small perturbation defects to decouple various modes in the multimode waveguide, thereby permitting propagation of only one mode at any given frequency, which permits one-to-one mode conversion without exciting unwanted modes. The mode converter can efficiently convert a TM0 mode supported in a single-mode photonic crystal waveguide into a TM2 mode supported in the multimode waveguide that is laterally coupled to the single-mode waveguide section for a wide wavelength range. Influences of different sizes and positions of perturbation rods on the band structure of the multimode waveguide are studied.     

非均匀扰动结构TE0n模式变换器研究

本文提出一种半径和周期双重扰动的非均匀圆波导TE_0n模式变换器. 通过耦合波理论(CWT)和数值优化方法对该模式变换器进行研究, 计算结果与电磁仿真软件基本一致. 与传统的均匀结构半径微扰模式变换器比较, 非均匀扰动结构TE_0n模式变换器可以在更少的波纹周期内实现高于均匀结构的模式转换效率, 95%功率转换绝对带宽增加150%, 器件长度减小接近一半. 本文的研究工作为设计轴向尺寸短、工作带宽大、 转换效率高的高功率回旋管外接模式变换器提供了重要参考.     

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     

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%。     

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%。     

高功率弯波导TE_(01)—TM_(11)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TE0 1—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TE0 1—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。     

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。