宽带非均匀半径渐变TE0n-TE0(n+1)模式转换器的设计研究

基于耦合波理论,对两类半径渐变圆波导TE0n-TE0(n 1)模式转换器进行理论分析、数值计算和仿真模拟.均匀半径渐变波导高功率模式转换器,采用中心频率为17.14 GHz、六周期TE02-TE03模式和中心频率为34.30 GHz、六周期TE01-TE02模式两种设计参数.非均匀半径渐变波导高功率模式转换器,采用中心频率为34.30 GHz、六周期TE01-TE02模式为设计参数.研究的重点在于保证足够转换带宽的情况下,力求最大化模式转换效率和模式纯度.通过理论分析和模拟,这种新型的非均匀半径渐变波导模式转换器在转换效率和带宽方面都明显优于传统的模式转换器,峰值转换效率达99.5%,转换带宽超过1.5 GHz.     

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.     

TE01-TE11模式转换器的带宽特性

针对模式转换器设计中在相同的中心频点转换效率下模式转换器越短带宽越宽的传统观点,研究发现了最佳长度的存在,即当结构长度大于最佳长度时,带宽随着结构长度增加而减小,当结构长度小于最佳长度时,带宽随着结构长度增加而增加。通过对中心频率35 GHz、半径13.6 mm的TE01-TE11模式转换器进行的验证发现,最佳长度为550 mm,此时带宽达到最大值6.28%。     

TE01-TE11模式转换器的带宽特性

针对模式转换器设计中在相同的中心频点转换效率下模式转换器越短带宽越宽的传统观点,研究发现了最佳长度的存在,即当结构长度大于最佳长度时,带宽随着结构长度增加而减小,当结构长度小于最佳长度时,带宽随着结构长度增加而增加。通过对中心频率35 GHz、半径13.6 mm的TE01-TE11模式转换器进行的验证发现,最佳长度为550 mm,此时带宽达到最大值6.28%。     

螺旋波导TEm1-TE11模式转换器的设计

 基于耦合波理论，对螺旋波导(蛇形线微扰)94 GHz、6周期TE₀₁-TE₁₁模式转换器和10.24 GHz、4周期TE­31-TE11模式转换器进行了设计和数值分析。通过解耦合波方程得出模式转换器中各模式成分的比例关系，并对转换器的参数做进一步修正，然后利用电磁仿真软件进行模拟。两种转换器在中心频率处的模拟转换效率均达到98%以上，95%以上带宽超过2 GHz，仿真结果与理论分析吻合得较好。     

紧凑型宽带TE01-TE02模式转换器

在传播常数随半径变化的情况下近似分析了两模转换条件,得到了模式转换器的初始结构,然后调用迭代法进行优化,最终能得到结构紧凑、带宽较宽、转换效率高的模式转换器。设计了两周期的Ka波段和一周期的W波段TE01-TE02模式转换器,带宽（转换效率95%以上频带宽度）分别达到2.47,8 GHz。CST仿真结果与耦合波仿真程序计算结果吻合较好,验证了该方法的有效性。     

紧凑型宽带TE01-TE02模式转换器

在传播常数随半径变化的情况下近似分析了两模转换条件,得到了模式转换器的初始结构,然后调用迭代法进行优化,最终能得到结构紧凑、带宽较宽、转换效率高的模式转换器。设计了两周期的Ka波段和一周期的W波段TE01-TE02模式转换器,带宽（转换效率95%以上频带宽度）分别达到2.47,8 GHz。CST仿真结果与耦合波仿真程序计算结果吻合较好,验证了该方法的有效性。     

组合型TM01-TE11弯形圆波导模式转换器研究

 研究了组合型TM₀₁-TE₁₁弯形圆波导模式转换器（两弯曲段中间加一段直圆波导），在保持其输出与输入端口轴线平行的前提下，分别从理论推导、数值计算、软件模拟三个方面对此结构进行了分析，模拟结果与数值计算结果吻合得很好。结果表明：计及功率损耗，频率为3.75 GHz，铜波导内径为9.0 cm，轴向间距为10.57 m时，模式转换器总的功率转换效率为93.8%。     

组合型TM01-TE11弯形圆波导模式转换器研究

研究了组合型TM01-TE11弯形圆波导模式转换器（两弯曲段中间加一段直圆波导）,在保持其输出与输入端口轴线平行的前提下,分别从理论推导、数值计算、软件模拟三个方面对此结构进行了分析,模拟结果与数值计算结果吻合得很好。结果表明：计及功率损耗,频率为3.75 GHz,铜波导内径为9.0 cm,轴向间距为10.57 m时,模式转换器总的功率转换效率为93.8%。     

95 GHz TE03模回旋管内置渐变波导设计

在耦合波理论的基础上,结合波导渐变曲线给出了普适高阶渐变波导设计方法,研究了95 GHz回旋管内置 TE03模式改进Dolph-Chebychev渐变波导。采用编制的数值计算程序进行优化,得到了可靠的最优几何参量,设计出了紧凑的95 GHz渐变波导。经全电磁场仿真验证,该内置渐变输出结构对杂模的抑制达30 dB,满足设计要求。回旋管的热测实验中测出的模式样图表明,所设计的内置渐变波导有效地实现了回旋管内径变化。该方法可以高效地指导高阶过模圆波导渐变结构的设计。     

回旋速调管变周期TE01-TE11模式变换器

针对蛇形圆波导变换器尺寸大和带宽窄的不足,提出了变周期蛇形圆波导模式变换器,以实现TE01到TE11模式的高效率转换。根据耦合波方程,编制了优化计算程序,对工作于30.5 GHz、半径为16 mm的变周期以及传统蛇形变换器几何结构分别进行了优化计算,得到了可实现最高模式变换效率的几何参量。计算结果表明：传统结构变换器最优长度长达1 056.97 mm,转换效率98.1%,90%以上转换带宽也仅为3.3%;变周期变换器最优长度为769.53 mm,转换效率为99.3%,90%以上转换带宽为5.9%。变周期结构相对于传统结构的模式变换器具有尺寸小和带宽宽的明显优势。测试表明所提出的模式变换器具有良好的模式变换性能。     

回旋速调管变周期TE01-TE11模式变换器

针对蛇形圆波导变换器尺寸大和带宽窄的不足,提出了变周期蛇形圆波导模式变换器,以实现TE01到TE11模式的高效率转换。根据耦合波方程,编制了优化计算程序,对工作于30.5 GHz、半径为16 mm的变周期以及传统蛇形变换器几何结构分别进行了优化计算,得到了可实现最高模式变换效率的几何参量。计算结果表明:传统结构变换器最优长度长达1 056.97 mm,转换效率98.1%,90%以上转换带宽也仅为3.3%;变周期变换器最优长度为769.53 mm,转换效率为99.3%,90%以上转换带宽为5.9%。变周期结构相对于传统结构的模式变换器具有尺寸小和带宽宽的明显优势。测试表明所提出的模式变换器具有良好的模式变换性能。     

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     

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。     

Computer-aided analysis and design of corrugated TE11 to HE11 mode converters in highly overmoded waveguides

A theoretical and experimental study of TE11-to-HE11 mode conversion in highly oversized waveguides is given. The balanced HE11 hybrid mode propagating in a circumferentially corrugated circular waveguide is in many respects ideal for effective electron cyclotron resonance heating of fusion plasmas with high-power gyrotrons. At an aperture antenna it exhibits desirable radiation characteristics such as linear polarization with very low cross polarization and axisymmetric power distribution with low sidelobe levels. This Gaussian-like mode can be generated from a TE11 mode by means of a corrugated mode converter in which the depth of the annular slots is tapered gradually from one-half to one-quarter wavelength. Computer-aided optimization of converter length, shape of corrugations, and of non-linear slot depth variation for 28 GHz- and 70 GHz-transducers was achieved with a scattering matrix formalism employing the modal field expansion technique (Modular Analysis Concept). In both cases the measured conversion efficiency of (98.5±0.5)% and the experimental values of the maximum cross polarization (below –28 dB) are in very good agreement with the predicted values. High-power operation was successfully demonstrated using pulsed 28 GHz- and 70 GHz-VARIAN gyrotrons (200 kW).     

高功率速调管TE_(11)-HE_(11)模式变换器的设计及实验验证

基于模式匹配法编制了分析内壁刻槽TE11-HE11圆波导模式变换器数值计算程序;采用该程序为工作频率为30.5GHz的高功率速调管设计了一半径为16mm的TE11-HE11模式变换器。计算表明该变换器在2.6%的带宽内转换效率在98.8%以上,实验结果表明该变换器性能良好。