过模矩形波导中硅芯片与基模亚毫米波的作用

模拟研究了过模矩形波导WR10中n型硅探测芯片对TE10模亚毫米波的响应。针对过模波导WR10中内置n型硅芯片的亚毫米波探测结构,推导了基模工作时的灵敏度表达式。采用三维电磁场时域有限差分方法,模拟计算了过模波导中300～400GHz频带的TE10模亚毫米波与硅芯片的相互作用,分析了探测结构中电压驻波比和芯片内平均电场随硅芯片参数变化的规律。结果表明,在相同的芯片参数下,过模探测结构并不影响电压驻波比和芯片内平均电场的大小,但两者随频率变化的波动程度增大。在300～400GHz工作频带内,优化得到了性能较优的过模探测结构,其电压驻波比不大于2.75(335～380GHz频带内不大于1.8),线性工作区的相对灵敏度约为0.127kW-1,频率响应的波动范围在±20.5%内,最大承受功率约为0.53kW,响应时间为100ps量级,满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。     

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%。     

Ka波段高功率斜角弯头的设计

介绍了一种基于准光技术的高功率斜角弯头的设计方法,可实现圆波导TE0m模式的高效转弯传输。使用模式变换器将工作模式TE0m转换成锥形高斯模,经过转弯后,锥形高斯模被重新转换成工作模式。这种锥形高斯模可以减少波束在镜面的衍射,从而实现工作模式的高效率转弯传输。基于这一方法,设计了工作在Ka波段、工作模式TE01的MW级波导斜角弯头。HFSS计算结果表明: 在8%的带宽内,传输效率大于98%。     

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     

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。     

高功率TE_(01)过模斜接弯头设计

设计并分析了TE01斜接弯头结构,该结构由两段相同且垂直的模式变换段及与模式变换段呈45°斜接的金属镜面组成。整个结构等效于两个模式变换段对接,但中间存在间距为波导直径的缝隙。模式变换段将纯TE01模式转换为TE01和TE02的混合模式,该混合模式在缝隙中传播时电场呈现对称分布,从而降低了模式转换损耗,提高了传输效率。对设计的Ka波段TE01斜接弯头结构的理论仿真和加工实测结果表明:中心频点转换效率在98%以上,在2 GHz带宽内传输效率95%以上,插损小于0.2 dB,驻波小于1.2。     

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。     

基于漏波波导的X波段高功率微波天线

 基于漏波波导行波天线辐射理论,设计了一种X波段基于漏波波导的高功率微波（HPM）天线。采用微扰法和横向谐振法对天线的辐射特性进行分析,结合数值模拟优化给出了一种基于漏波波导的X波段HPM天线的设计方案。数值模拟表明:该天线在9.6 GHz时增益为26.2 dBi,口径效率大于70%,反射系数小于-20 dB。通过理论分析与数值模拟得到该天线的功率容量大于200 MW,在最大增益点上对ns量级短脉冲的远场响应波形不存在畸变,验证了该天线在HPM条件下使用的可行性。     

功率容量大于1GW的组合式旋转关节

用耦合波理论分析了过模圆波导中不同模式之间的转换和波导弯曲半径之间的关系,研制了弯曲角度为90°的过模圆波导弯头,设计了一种结构简单的TM01过模圆波导旋转结构。对圆波导弯头和旋转结构的高功率测试证明,它们在X波段功率容量均大于1 GW,微波传输效率均大于93%。在此基础上,提出了一种组合式旋转关节,该关节能够在方位和俯仰上实现360°旋转,可应用于高功率微波的发射天线。     

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。     

Plasmonic Metasurfaces Enabled Ultra‐Compact Broadband Waveguide TM‐Pass Polarizer

Silicon waveguide polarizers offer a simple yet robust approach to address the polarization‐dependent issue of silicon‐based optical components, and hence have found numerous applications in silicon photonics. However, the available silicon waveguide polarizers suffer from the issue of large device footprint, high insertion loss (IL), and/or fabrication complexities. Here, a silicon waveguide transverse magnetic (TM)‐pass polarizer is constructed by coating a silicon waveguide with an ultra‐thin plasmonic metasurface structure that is capable of guiding slow surface wave (SW) mode. The transverse electric (TE) waveguide mode can be converted into SW mode with the involvement of metasurfaces, and hence is intrinsically absorbed and forbidden to pass, while the TM waveguide mode can be well guided due to little influence. A typical metasurface polarizer with an ultra‐short length of 2.4 µm enables the IL of 28.16 dB for the TE mode, and that of 0.53 dB for the TM mode at 1550 nm. Multiple‐band TM‐pass polarizers can be obtained by cascading two or more different metasurface‐coated silicon waveguides along the propagation direction, and a dual‐band TM‐pass polarizer is demonstrated with the IL being of 19.21 and 29.09 dB for the TE mode at 1310 and 1550 nm, respectively.     

同轴TEM-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。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－矩表、圆波导－矩形的模式变换器。     

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。     

金属包层对称平面单轴晶体波导的模式场(Ⅱ)

对于晶体光轴平行于波导界面的结构,讨论了光在金属包层对称平面单轴晶体波导(波导层是单轴晶体,两个波导界面均为金属)内的传输特性.解析地得到了这种结构下波导模式场的精确解.模式场的性质因单轴晶体的性质不同而异.对于正单轴晶体,波导的主模是横电波,任何频率的光波均可激励该模式;当频率满足一定条件时,波导内传输单模,否则,将激励起高阶模式.高阶模既非TE波,也非TM波,而是两者耦合而成的混合模.对于负单轴晶体,波导的主模是一种混合模,该模式同样可被任何频率的光波所激励;当频率满足一定条件时,波导内传输单模,否则 关键词： 平面金属波导 单轴晶体 模式场 混合模     

转移矩阵法在负折射率介质材料平板波导中的应用研究

利用严格电磁理论,推导出了适用于负折射率介质材料光波导的转移矩阵,分析讨论了转移矩阵的性质和应用.利用转移矩阵方法,推导出导波层为负折射率介质材料、覆盖层和衬底为右手材料的三层对称介质光波导的本征色散方程.用图解法研究了负折射率介质波导中TE波的异常色散特性.在负折射材料介质波导中没有零阶模,最低阶为1阶模,并且有截止频率,只有波导参量满足一定条件的时候才会存在,导模的横向波数可以为实数和纯虚数,而正折射率介质波导导模的横向波数只能为实数.     

Simplified THz Instrumentation for High-Field DNP-NMR Spectroscopy

We present an alternate simplified concept to irradiate a nuclear magnetic resonance sample with terahertz (THz) radiation for dynamic nuclear polarization (DNP) experiments using the TE(01) circular waveguide mode for transmission of the THz power and the illumination of the DNP sample by either the TE(01) or TE(11) mode. Using finite element method and 3D electromagnetic simulations we demonstrate that the average value of the transverse magnetic field induced by the THz radiation and responsible for the DNP effect using the TE(11) or the TE(01) mode are comparable to that generated by the HE(11) mode and a corrugated waveguide. The choice of the TE(11)/TE(01) mode allows the use of a smooth-walled, oversized waveguide that is easier to fabricate and less expensive than a corrugated waveguide required for transmission of the HE(11) mode. Also, the choice of the TE(01) mode can lead to a simplification of gyrotron oscillators that operate in the TE(0n) mode, by employing an on-axis rippled-wall mode converter to convert the TE(0n) mode into the TE(01) mode either inside or outside of the gyrotron tube. These novel concepts will lead to a significant simplification of the gyrotron, the transmission line and the THz coupler, which are the three main components of a DNP system.     

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.     

部分填充手征等离子体波导的电磁波

 把麦克斯韦方程和电磁场分解成横向和纵向分量, 导出了简明的一般性的手征等离子体填充的任意截面波导的波动方程和横向纵向场的关系式。对于部分填充手征等离子体波导, 导出了它的色散方程。这一方程的数值解给出了HE₁₁, EH₀₁和HE₂₁模式的色散图。随着手征等离子体填充面积的增大, EH₀₁模式的色散曲线向更高的频率移动。随着手征导纳的增加, 传播常数减小。