圆波导TE11主模辐射方向性系数的误差分析

对不同尺寸圆波导TE11模,以及TE11和TM01不同比例混合模式的辐射情况进行了模拟研究,得到了E面、H面功率方向图,通过高功率微波远场测量常采用的假设方向图对称的方法,计算出E面、H面方向性系数,并与模拟得到的方向性系数进行对比。结果表明：TE11单模及TE11模与功率占5%,10%的TM01模混合情况下,H面方向性系数与模拟得到的方向性系数最大差值小于0.8 dB,E面方向性系数与模拟值最小差值大于1 dB。因此,在这些情况下,H面方向性系数更接近于方向性系数,采用H面方向性系数计算功率结果更接近实际值。     

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TM01-矩形波导TE10模式转换器

设计了一种高功率圆波导TM01-矩形波导TM10模式转换器,可以实现圆波导TM01模式与矩形波导TM10模式之间的相互转换。仿真结果表明：中心频率为9.7 GHz时该模式转换器转换效率大于99.99%,回波损耗小于-40 dB,转换效率大于90%时的带宽大于0.4 GHz。调节底面短路圆波导长度可以实现模式转换器在9.2~10.1 GHz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0.7 GW,其表面场强小于1 MV/cm。     

9.4 GHz过模光滑壁TE11HE11模式变换器设计

采用半径微扰的光滑壁圆波导产生HE11模,避免了常规微波领域中采用的波纹渐变转换器在高功率微波领域应用时易发生齿间打火的不足。采用基于模式耦合理论的迭代综合方法优化了不规则的半径渐变轮廓,使输出产生组成HE11模的混合模式。并通过全电磁波仿真软件进行了对比, 输出波束标量高斯含量在9.1~9.7 GHz范围内均高于99.5%,功率容量4.9 GW。     

9.4 GHz过模光滑壁TE11HE11模式变换器设计

采用半径微扰的光滑壁圆波导产生HE11模,避免了常规微波领域中采用的波纹渐变转换器在高功率微波领域应用时易发生齿间打火的不足。采用基于模式耦合理论的迭代综合方法优化了不规则的半径渐变轮廓,使输出产生组成HE11模的混合模式。并通过全电磁波仿真软件进行了对比, 输出波束标量高斯含量在9.1~9.7 GHz范围内均高于99.5%,功率容量4.9 GW。     

用于磁控管轴向辐射TE11模式的紧凑型输出结构

提出了一种用于轴向输出相对论磁控管中具有TE11辐射模式的紧凑型输出结构。该器件采用6谐振腔结构并工作在模式上, 通过合理设计谐振腔结构与输出圆波导之间过渡结构, 模拟实现了圆TE11模式微波的轴向输出。与传统衍射输出相对论磁控管相比, 本文设计的轴向输出结构, 不仅能在输出波导中获得更加纯净的微波模式, 而且能减小磁控管的径向尺寸, 使得系统更加紧凑化。初步的粒子模拟结果表明：当电压为280 kV、磁场强度为0.5 T时, 该器件的工作频率为4.18 GHz, 输出功率为247.0 MW, 功率转换效率达到21.9%。     

X波段过模弯曲圆波导TM01-HE11模式变换器研究

在波束波导和反射面天线的馈源应用中, 为了产生低副瓣且方向图等化的高斯波束, 需要将高功率微波转换为准高斯模HE₁₁模辐射. 本文利用弯曲圆波导可同时从TM₀₁模产生TE₁₁模和TM₁₁模的原理, 提出了采用双弯曲过模圆波导结构直接将TM₀₁转换为HE₁₁的模式变换器, 避免了常规微波领域中首先将TM₀₁转换为TE₁₁再用波纹式或半径渐变式TE₁₁-HE₁₁转换器转换为准高斯波束功率容量不足或尺寸过长的不足. 基于模式耦合理论和Taguchi优化算法对模式变换器的弯曲半径、相移直端长度及引入位置进行了优化, 使输出的TE₁₁和TM₁₁成一定比率, 以组成HE₁₁模式, 并对设计的模式变换器进行了全电磁波仿真分析, 结果表明输出波束的标量高斯含量在9.05–9.8 GHz范围内均高于99%, 理论功率容量可达4.5 GW. 关键词： 高功率微波 模式耦合理论 Taguchi优化算法 模式变换器     

TE11模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

在阴阳极严格同轴的条件下,理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE11模式与TM01模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示,即使在圆对称结构下,输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此,同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM01模式之间的谐振作用,从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用,因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明,采用阴阳极非均匀对称结构的TE11模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率,在优化参数条件下获得功率转换效率约7％,输出功率大于1.0 GW的实验结果,该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波,从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明,在400 keV,8.9 kA的束流条件下,轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出,功率效率为14%,频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

 轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波，从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明，在400 keV，8.9 kA的束流条件下，轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出，功率效率为14%，频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

高功率圆波导TE0n-TE11模式变换研究

在模式耦合理论的基础上,详细讨论了波导轴线弯曲与波导半径渐变的圆波导模式变换,并对TE0n-TE11模式变换器的几何结构进行了优化分析,采用不同的相位重匹配技术,得到了可靠的最优几何参量。以此数据设计的8mm回旋速调管TE01-TE11模式变换器的转换效率可达98%。     

高功率圆波导TE0n-TE11模式变换研究

 在模式耦合理论的基础上，详细讨论了波导轴线弯曲与波导半径渐变的圆波导模式变换，并对TE_0n-TE₁₁模式变换器的几何结构进行了优化分析，采用不同的相位重匹配技术，得到了可靠的最优几何参量。以此数据设计的8mm回旋速调管TE₀₁-TE₁₁模式变换器的转换效率可达98%。     

圆波导斜劈辐射天线的实验研究

 为了使三腔渡越管振荡器高功率微波源的输出具有单向波束及线极化的辐射特性，设计了圆波导斜劈结构的伏拉索夫型天线。着重进行实验研究，给出了具体设计时应该考虑的因素以及实验情况。通过对圆波导前端模式变换器的同轴内导体长度的调节和鼻锥形状的选择以及各个部分的仔细分析，最后获得了较好的结果，证明了该天线的实用性和可靠性。     

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。     

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     

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。     

TLCODE模拟方法介绍

探讨了TLCODE传输线模拟方法的基本原理、求解方法及步骤，推导了传输线驱动电阻负载、静态电感负载和混合型负载三种典型负载时末端界面电压的表达式，用PSPICE构造一个电路模型，以静态电感负载的计算结果为例，对所介绍的TLCODE方法及推导的公式模型予以验算。结果表明，在计算负载电压时，TLCODE与PSPICE的最大偏差仅为0.2%,在计算电流时，最大偏差仅为0.1%。     

TM01-TE11弯形圆波导模式转换器的优化设计

通过数值模拟与理论计算,对TM01-TE11弯形圆波导模式转换器进行了分析,得出了TE11模式的功率转换效率的解析公式。在保持其出射端口与入射端口轴线平行的情况下,通过减小波导内半径,从而减小波导轴线长度,实现了其结构的小型化设计。当转换器的两段轴线曲率半径相等时,理论计算结果与模拟结果相吻合,且功率转换效率高。优化结果为：波导内径为7.0 cm,模式转换器出射端口与入射端口的轴线间距为8.03 cm,轴向长度为15.11 cm;频率在3.41~3.74 GHz内,功率转换效率超过90%,其中频率为3.60 GHz时,转化效率为95.6%。