W波段边廊模回旋管准光模式变换器的研究与设计

详细研究并设计了一个由Vlasov螺旋开口辐射器和两级曲面反射器组成的边廊模回旋管准光模式变换器.首先采用几何光学理论研究了设计的Vlasov型准光模式变换器的工作机理,在此基础上,再利用矢量绕射理论中的口径场积分法和表面电流积分法编写了模拟仿真程序,最后结合W波段边廊模回旋管的具体设计参数,应用所编写程序详细分析了工作模式在此变换器中的模式变换过程.模拟结果表明,W波段回旋管中的TE_12,2边廊模在输出窗处被转换为能量集中的准Gauss波束.     

94 GHz回旋管准光模式变换器设计

基于几何光学理论和矢量绕射理论,研究了将回旋管及其他高功率微波器件的振荡输出模式转换成准光高斯波束的模式变换器,采用伏拉索夫(Vlasov)辐射器和三级准光反射面实现了准高斯模TEM₀₀的横向输出.研究了Vlasov辐射器的工作机理,运用矢量绕射理论计算出波导辐射场,口面电流分布的方法计算反射面辐射场.通过编写程序设计了将94 GHz,模式为TE₆₂的毫米波转化为准光高斯波束的内置式准光模式变换器. 关键词： 94 GHz回旋管 内置式准光模式变换器 Vlasov辐射器 矢量绕射理论     

3mm TE_(6,2)模Denisov辐射器设计北大核心CSCD

提出了可应用于3mm波段回旋管的TE6,2模式Denisov辐射器。以耦合波理论为基础,给出Denisov辐射器的设计方法。结合3mm波段边廊模回旋管的具体参数,采用编制的数值计算程序,优化得到该模式Denisov辐射器,辐射器全长52mm。全电磁场仿真表明,该辐射器切割边缘电流幅值降为汇聚中心点的10%。由其组成的模式变换器,冷测结果好于Vlasov模式变换器。     

准光模式变换器研究与设计

研究了将回旋管及其他高功率微波器件的振荡输出模式转换成准高斯波束的准光模式变换器,实现了准高斯模TEM00的横向输出。利用几何光学分析了模式在波导中的传播,进一步分析了伏拉索夫（Vlasov）辐射器的工作机理,运用矢量绕射理论计算出辐射场; 通过编程设计了将94 GHz、模式为TE62的毫米波转化为准高斯波束的准光模式变换器。结果表明:通过设计Vlasov辐射器和两级反射镜,可以在窗口处得到准高斯波束, 整个系统的功率效率达到87.5%。     

W波段回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是高功率毫米波雷达发射系统最重要的候选者.通过对回旋行波管放大器中的绝对不稳定性、回旋返波振荡以及电子注-波互作用的研究，讨论了回旋行波管的稳定性、寄生模式的抑制和工作参数的优化等问题，给出了W波段TE₀₁模回旋行波管放大器的模拟设计结果.PIC粒子模拟结果表明，在电子注电压100kV、电流10A、工作磁场3.52T时，94GHz的基波回旋行波管放大器可获得大于250kW的输出功率、40dB的增益、大于25％的效率和约5％的带宽. 关键词： W波段 回旋行波管放大器 模拟 设计     

1.8 T直流磁体94 GHz连续波二次谐波回旋管

首次实现直流磁体W波段二次谐波回旋管连续波稳定运行。回旋管工作时所需1.8 T磁场由一个水冷直流线圈产生。直流线圈励磁电流为500 A,功耗28 kW,内孔直径66 mm,可直接将回旋管插入内孔中。回旋管内电子束由双阳极磁控注入电子枪产生。采用高效率内置准光模式变换器实现束波分离并输出准高斯波束。研制的回旋管工作频率为94.08 GHz,腔内工作模式为TE₀₂。实验中成功实现5 min连续稳定运行,输出功率达到12 kW。电子束电压为45 kV,电流1.7 A,对应的输出效率15.7 %。     

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%。     

双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

W波段TE62-TEM00准光模式变换器

对准光模式变换器的基本理论和设计方法进行了讨论.以改进型等效电流理论为基础给出了Vlasov辐射器的分析方法,建立了数值模型,并进行了计算分析.继而推导了自适应相位修正Katsenelenbaum-Semenov算法,编制了相位修正反射镜自适应设计分析程序.在上述理论工作的基础上,针对3 mm波段TE62至TEM00准...     

高功率回旋振荡管Denisov型辐射器的研究

研究了一种用于高功率回旋振荡管准光模式变换系统的高效率Denisov型辐射器. 基于Bessel函数的积分展开及几何光学理论,系统地分析了圆波导中电磁波的传播过程及Denisov型辐射器降低衍射损耗的机理;分析了在圆波导内壁上工作模式与耦合模式叠加形成准高斯型场分布的过程. 从Bessel函数导数的本征值出发,给出了不同工作模式在Denisov型辐射器预聚束波导段选择目标耦合模式的一种普适方法,同时给出了Denisov型辐射器的设计方法. 依据上述理论分析编写了计算程序,并对一支140 GHz,工作模式为TE_28,8,1 MW长脉冲回旋振荡管进行了对比验证,计算结果与文献报道的结果具有很好的一致性. 关键词： 回旋管 准光辐射器 耦合模理论 模式变换     

95 GHz回旋管内置准光模式转换器仿真设计

 高功率毫米波回旋管输出的高阶模式不利于空间传输,必须进行模式转换。由于不便采用波导模式转换器,因此对内置准光模式转换器进行了研究。内置准光模式转换器由Vlasov辐射器、准抛物柱面镜和相位修正镜组成。基于标量衍射理论和KSA算法,编制了数值模拟程序,设计了相位修正镜。计算分析了参考平面处的场分布,表明该准光模式转换器的标量转换效率大于98%,矢量转换效率大于93%。计算结果表明,该方法可以高效地指导准光模式转换器的设计。     

高阶不对称体模回旋管Denisov型准光模式变换器（英）

详细研究了Denisov型准光模式变换器的原理和设计方法。应用几何光学理论对Denisov型开口辐射器的工作过程进行了分析,并给出了基于耦合模理论的辐射器不规则扰动段的设计方法。开发了基于耦合模理论、矢量衍射积分和物理光学法的仿真程序GQOMC-D,并将该程序的计算结果与文献报道结果进行了对比验证。利用该程序设计了一种110 GHz TE22,6模回旋振荡管准光模式变换器,仿真结果显示在输出窗上得到了场型较好的高斯波束,其模式纯度为98.4%,模式变换器的能量转换效率为94.7%。     

95 GHz准光模式转换器实验研究

介绍了采用95 GHz准光模式转换器将TE62模式转换为高斯波束的实验测试结果。准光模式转换器由螺旋切口的Vlasov辐射器、一个准抛物柱面反射镜和两个相位修正镜组成。将半径5.62 mm圆波导内的TE62模式转换为束腰直径22.4 mm的高斯波束。实验采用毫米波天线近场扫描测试系统测试,实验结果表明标量转换效率大于97%,矢量转换效率大于88%     

Quansi-optical mode converter for Ka-band application on a gyrotron

A series of electron cyclotron masers (ECMs) has been designed and successfully operated in the frequency range of 6 to 200 GHz over the past 10 years at Strathclyde University. The current Mk. VI ECM operated between 35–200 GHz, the TE _{0 1} ⁰ mode (35.2 GHz) being the lowest order cavity mode excited. Investigation of this ECM and quasi-optical converter combination was made to establish to what extent a Gaussian beam could be produced from the TE _{0 1} ⁰ gyrotron cavity mode.An antenna of the Vlasov (step-cut radiator) configuration was chosen and successfully developed in a series of low-power experiments up to the W-band frequency regime. The low-power experiments demonstrated that such an antenna system could be constructed and operated in the K_a-band frequency region without resorting to high precision quasi-optical components. The final version of the quasi-optical antenna was externally coupled to the output window of the maser and a plane polarized pencil beam was successfully obtained from the combined maser/Vlasov antenna mode converter.A theoretical model involving a single TE _0n ⁰ input mode was chosen to analyse the output beam characteristics from the Vlasov antenna system. Comparison was made between the single mode theoretical model and the experimental results obtained from the maser.     

Denisov-type quasi-optical mode converter forhigher-order asymmetric volume mode gyrotron北大核心CSCD

The principle and design method of Denisov-type quasi-optical mode converter is investigated indetail. The operation process of the Denisov-type launcher is analyzed by applying the geometrical optics, andthe Gaussian-like field distribution achieved on the waveguide wall is also derived. The method for designing arippled-wall launcher is proposed on the basis of coupled mode theory. A simulation code for Denisov-type qua-si-optical mode converter GQOMC-D is developed based on coupled mode theory, vector diffraction integrationand physical optics, which is compared to the design parameters and experimental results reported in literaturefor its validity. According to this code, a Denisov-type quasi-optical mode converter used in 110 GHz TE22.6mode gyrotron oscillators is designed. Simulation results indicate that a Gaussian-like beam is obtained at theoutput window with a scalar content of 98.4 % and a conversion efficiency of 94.7 %.     

双频回旋管内置准光模式变换器设计

回旋管一般使用准光模式变换器实现高阶腔体模式到高斯波束的转换。结合标量衍射理论、KS迭代算法、几何光学、最小均方法等方法设计了工作频率为140 GHz(TE24,9)和105 GHz(TE18,7)的双频准光模式变换器。仿真结果显示所设计的准光模式变换器工作频率为140 GHz(TE24,9)时能量传输效率99.0%、高斯含量99.7%,工作频率为105 GHz(TE18,7)时能量传输效率97.3%、高斯含量98.0%。能够满足MW级双频回旋管的应用需求。     

An improved design for quasi-optical mode conversion of whispering gallery mode gyrotron radiation

Results are reported of a theoretical and experimental investigation of a quasi-optical mode converter for the transformation of whispering gallery mode gyrotron output into a linearly polarized Gaussian like beam. The mode converter consists of a helically cut waveguide launcher, similar to that originally proposed by Vlasovet al, followed by a focusing mirror. Theoretical results using aperture field methods indicate that the length of the waveguide launcher is of critical importance in providing a confined radiation pattern. Experimental results on the radiation pattern were obtained for several launcher lengths using a 0.6 MW, 149 GHz pulsed gyrotron operating in the TE_16,2 mode. Radiation pattern results for the optimum launcher length agree well with theoretical calculations using the Stratton-Chu aperture radiation theory for unperturbed waveguide modes. A mirror focusing in the azimuthal direction was designed by a geometrical optics approach to focus the radiation coming from the launcher. Good focusing with 91.4% efficiency (power in the focused beam divided by gyrotron power) was found experimentally using the combined launcher and mirror with the pulsed gyrotron. These results indicate that quasi-optical antennas are useful for transforming high order, high frequency gyrotron modes into directed beams in free space.