1、PDF外文：http:/ 2000 字 回旋 速调管 弯圆波导模式转换器的 分析 Song Yuecong Hu Wei 摘要： 模式 转换器 所需 的几何结构取决于 两种 被转换模式的细节。 非周期 的变化结构常常可以用来减少转化器的长度， 但在 这些设备里， 几乎 所有的模式会经历重要的模式转换。 本文研究了 高功率微波模式转换器 的 设计方法和数值计算 。基于模式耦合 理论， 对 TE01-TM11传统 常曲率 波导 模式转换器和 改进正弦弯曲波导 模式 转换器 的几何构型 设计给出更多可能的几何参数。 8 毫米高功率 正弦弯曲波导轴 模式 转换器 的转换效率为约
2、 99，带宽为 32。 关键词 ： 弯曲 波导， 模式转 换， 耦合波方程 ； 圆波导； 相位重匹配 引言 回旋速调管有 高峰值功率 、高平均功率、高增益和带宽适应性等优点，非常适合于做毫米波高性能雷达、相控阵雷达、毫米波通信等系统的动力源。但回旋速调管的输出模式为TE01 和 TE02，不便于直接使用，所以它必须进行模式转换，特别是高功率模式转换。它的模式转换器大多采用以下顺序： TE0n(gyrotron)-TE01-TE11-HE11(antenna)2.TE0n(gyrotron)-TE01-TM11-HE11(antenna) TE0n
3、(回旋管 )-TE01-TE11-HE11 天线 )2.TE0n(回旋管 )-TE01-TM11-HE11(天线 ) 第一序列采用轴的扰动弯曲成为一个高效的圆波导转换器，转换效率达到 98带宽超出5，但它的超长（ 881.6 毫米）限制它只能在有限的领域使用，加工 也 不 方 便。 因此，为了获得更好的实用性，我们 选择 第二序列 ， 它 以 TM11 作为中间偏振模式， HE11作为 后者 以辐射外部。 基于正弦曲率笔者通过设计和计算将此结构进行提高，创造 了 8 毫米高功率圆形波导管的 TE01-TM11 模转换器，转换效率达到 99，带宽超过 32， 而 长度仅为 386 毫
4、米，从而实现紧缩型 、高效型 具有大带宽的模式转换器 。 多种 因素 的 影响 已经加以考虑， 比如返波，金属壁 的 欧姆损耗，模式选择和相位 重匹配。 2. 耦合波理论 波导的 不均匀性 （轴线在圆形波导的弯曲，波导的半径逐渐变化）会导致不同的传播模式之间的能量耦合，从而创建模式的转换。基于耦合波理论的耦合波动方程是该研究轴弯曲圆波导模式转换器的基本方程： + = + + + + ()() = + + + ()( ) + 其中， + 和 是第 mn 个模式正向波 及反向波的复振幅 。 +
5、和 ()( ) 是 (mn)模式和 (mn)模式 的 耦合系数 ，这两个 模式 的 传播的 方向相反 。是 传播 系 数， mn 圆波导的衰减系数是： TM mode = 101 1 (2 0)2 TE mode = 101 1 (2 0)2 20 2+( )21 ( )2 其中 ， a 是 波导 半径， 是自由空间波阻抗， 0是 自由空间波的波长 ， Xnm 是 Jn（ TM 模式）或 Jn（ TE 模式）的第 m 个零点 ， Rs 是 波导材料 的表面电阻 。 假设 模式装换器 的长度是 L， 输入端输入 一个入射波，输出端 输出 零值反向波。 这是 边界条件： &
6、nbsp;+ |=0 = (1,0), (0,0), (0,0) (5) |= = (0,0), (0,0),(0,0) (6) 1,2,5,6 式揭示了耦合波微分方程组的边界值的问题。 轴弯曲 圆波导的耦合原理是 m=1。为了抑制其它不需要的模式的振幅，提高你需要 的模式的振幅 ，通过采用 耦合结构。 (a) The perturbation of axis curved 轴弯曲 的扰动 y x = 1 2,2 2 , 3 2 ,22 (b) 常曲率轴 弯曲的波导 (c) 正弦 轴弯曲的波导 y x = 1 212 22
7、1 23 (d) 微变 扰动期 = (1 + ) , 采用相应的结构，模式完全转化即可实现。 3.数值 计算结果 采用轴弯曲的扰动，可实现圆波导 TE01-TE11 的有效转化。因为 TE01 与 TE11 的拍频波长较长，接近 TE01 和 TE12 的 拍频波长 ，从而高效率的转换几乎不能在较少周期数实现。但转换效率可以通过添加周期波 的数量 、 改变波导内半径 来提高 ， 这样可以 最小化不需要模式的振幅 。 同时，模式转换器变长。图 1 显示 了其最优效果。 由于采用 相位 重匹配 的技术，不需要的模式在输出端变得越来越小。 计算表明， TE01
8、与 TE12、 TE11 与 TE21 之间 存在 强耦合 ，因此，如果采用折扰动项重匹配 TE12 和 TE21 的相位，转换效率 将 超过 98，带宽将 超过 5。但这种转换器的缺点 是 太长（ 881.6 毫米），不便加工， 限制其 使用范围 。 TE01-TM11圆波导模式转换器的几何结构是弯曲的。由于弯曲圆波导模式 TE01和 TM11具有 相同的相位 常量 ，一个适当弯曲的波导管可以使它们进行连续功率耦合。 多模式 因素、反 向波、 欧姆 损耗、 轴弯曲 和相位重匹配等， 在 计算中都进行了 仔细 考虑。 入射模 TE01 输入 到转换器后， 与 TE21、 TE12、
9、 TM11 进行 耦合， 副振荡 模 TE21 和 TM21 进行 二次耦合。对这些模式的耦合系数进行分析，其他的模式耦合因其弱耦合与小输出幅度而不再 被考虑 。因此， 我们只需 关注 TE01， TE11， TE12， TM11， TE21 和 TM21。同时，为了减轻欧姆消耗，增加带宽，转换器必须尽可能短。 文献 【 6】中 说到 ， 其他耦合模式已被波导的适当变化曲率有效地抑制，从而增加了转化效率。 两种结构 TE01-TM11 常曲率波导和正弦曲率波导模式转换器都被采用。与其他文献 不同的是 ，通过 优化计算， 式（ 8）中 的 正弦曲率结构 可以 达到高转换效
10、率 同时 缩短长度和增加带宽 ， 并且 加宽曲率范围和加强的输入输出的模式耦合。 从图二 中可以清 楚地 看到，TE11 与 TE21 的输出功率可以通过改进的正弦曲率波导被有效地减少，使得转换效 率从 97提高到 99，同时长度 也被减轻很多 。 对于单弯波导模式转换器，圆波导半径，弯曲曲率，频率和带宽之间的原理是相同的双排架结构【 6,7】 。频率一定时，波导半径越小、长度越短，模式转换效率越大。圆波导半径一定时，频率越大、 波导 长度越长， 弯曲曲率、 带宽和模式转换效率 越小 。 Fig.1 Calculated fractional power as a f
11、unction of z along a 35GHz TE01-to-TE11 mode converter with a0=13.6mm and small axis perturbation. Fig.2 Calculated fractional power as a function of z along a35GHz TE01-to-TM11 mode converter with a0=13.6mm andoptimum, sinusoidal curvature distribution. 4.结论 本文 对 回旋速调管采用了二序列数值研究，并且强调通过第二次转换序列关键部分的两个配置，优化 TE01-TM11 模式转换器。改进正弦曲率结构，并有效地抑制其它模式的输出功率，缩短 转换器长度， 增加模式转换效率。 8 毫米高功率圆波导 TE01-TM11 模转换器的转换效率为约 99，带宽为 32%。
