170 GHz兆瓦级回旋管TE25,10准光模式变换器设计

为满足聚变用170 GHz回旋管高功率输出和高效率传输的要求,需将高阶工作模式TE_25,10转换为高斯波束;针对这一技术需求,完成了170 GHz、TE_25,10模式高效准光模式变换器的设计,准光模式变换器由辐射器和镜面系统组成。基于几何光学和耦合波理论,完成了Denisov型辐射器相关设计;基于矢量衍射定理和相位校正算法,设计了由一个抛物面镜面、一个准椭圆镜面及一个相位校正镜面组成的镜面系统;使用Surf3D软件对辐射器进行了优化和计算,使用三维全波仿真软件FEKO对镜面系统进行了优化和计算,主要对辐射器微扰幅值、位置分布及相位差进行了优化。所设计准光模式变换器系统的能量转换效率约为95.2%,波束在输出窗处的标量高斯含量约为97.6%,矢量高斯含量约为91.8%,达到了回旋管的应用要求。     

回旋管准光辐射器研究与设计

准光辐射器是高功率回旋管准光模式变换器的重要组成部分.采用几何光学理论分析圆波导准光辐射器,根据高斯波束(TEM00模)在辐射器切口处形成的原因,利用耦合波理论设计波纹波导准光辐射器.通过编写程序并进行数值优化完成140 GHz、TE28,8模式回旋管波纹波导准光辐射器的设计,结果表明波纹波导辐射器的总长度仅为205.2 mm,切口长度为47.2 mm,在辐射器螺旋切口Brillouin区内高斯模式标量相关系数大于98%.本文所用的方法也可用于其它频率和模式的回旋管准光辐射器设计.     

回旋管准光辐射器研究与设计

准光辐射器是高功率回旋管准光模式变换器的重要组成部分.本文首先采用几何光学理论分析圆波导准光辐射器,然后根据高斯波束(TEM00模)在辐射器切口处形成的原因,采用耦合波理论设计波纹波导准光辐射器.通过编写程序并进行数值优化完成140GHz,TE28,8模式回旋管波纹波导准光辐射器的设计,结果表明波纹波导辐射器的总长度仅为205.2mm,切口长度为47.2mm,在辐射器螺旋切口Brillouin区内高斯模式标量相关系数大于98%.本文所用的方法也可用于其它频率和模式的回旋管准光辐射器设计.     

一种准光模式变换器的设计和实验

准光模式变换器是实现高功率回旋管高效输出的重要部件。该文针对140 GHz, TE_28,8模回旋振荡管研制,开展以Denisov型辐射器和3个准光镜面构成的准光模式变换器设计与实验研究。利用标量衍射法优化辐射器辐射口径处的场分布,其与理想高斯场之间的矢量相关性为96.2%;基于几何光学和高斯波束匹配方法设计了聚焦镜面与波束整形镜面,采用3维全波分析软件Surf3D获得各个镜面上及输出窗处的场分布,对所设计的镜面系统进行了仿真验证,在输出窗处获得了高斯模式含量为96.67%的输出波束,整个模式变换器的功率转换效率为93.98%。以自行研制的TE_28,8模激励器作为准光模式变换器的输入,通过对模式变换器转换性能仿真结果验证,在严格控制加工精度及装配和实验过程的基础上,完成了准光模式变换器转换性能的冷测实验。实验结果表明,设计和实验具有合理的一致性,可以作为准光模式变换器工程应用设计和验证手段。     

96GHz边廊模Denisov辐射器

介绍了采用Denisov辐射器将96 GHz边廊模式信号转换为高斯波束的设计、仿真及测试结果.基于耦合波理论给出Denisov辐射器的设计方法.根据96 GHz TE_(6,2)模式Denisov准光模式转换器结构布局的要求,优化得到Denisov辐射器,输入半径6.4 mm,长52 mm,辐射器切割边缘电流幅值为汇聚中心点的10%,输出准高斯能量转换效率达96.51%.由其组成的准光模式转换器冷测输出高斯波束束腰直径22.4 mm,矢量转换效率大于95%.     

94GHzTE6,2模内置准光模式变换器

提出了可应用于94 GHz回旋管内部的TE6,2准光模式变换器.根据几何光学和矢量绕射理论编制了模拟其电磁行为的分析和优化程序.根据几何光学原理,设计了该模式变换器的初步结构参数,然后利用该优化程序获得了最优化的相关参数.优化结果表明,在94 GHz,该准光变换器功率转换效率约为85%,转换所得波束高斯含量高于70%.     

W波段回旋管准光模式变换器的研究

该文对W波段TE₆₂模回旋管准光模式变换器的辐射器和镜面系统进行了设计与实验验证。基于耦合模理论,采用两级微扰对辐射器进行了设计,获得了圆波导内壁上的类高斯束斑的场分布;基于惠更斯原理的矢量衍射积分理论,对准光模式变换器的镜面系统进行了优化设计,模拟与计算结果表明准光模式变换器的模式变换效率为92.3%。最后,通过热测实验,验证了输出模式为W波段类高斯模式。     

170 GHz回旋管准光模式变换器的设计

针对170 GHz回旋管研究,设计了一种高效Denisov准光模式变换器,该回旋管工作在模式。模式变换器由微扰结构的辐射器和镜面系统组成。基于耦合模理论和矢量绕射理论,研究了两级微扰辐射器,优化设计了镜面系统。仿真结果显示,模式转换为高斯光束,其输出功率转换效率为93.7%。     

140 GHz回旋管高转换效率准光模式变换器设计研究（英文）

成功实现高转换效率的140 GHz TE22,6准光模式变换器原型设计。基于周期微扰原理设计Denisov辐射器,实现低边缘绕射的初级出射波束。针对三镜面光路系统,采用全矢物理光学积分作为主要计算手段,围绕主极化场分量进行三级相位修正面迭代优化,实现高出射高斯纯度的模式场转换,其中一级镜的修正有效改善了辐射器出射的不理想性。基于全矢数值仿真确认,相比原二次曲面原型设计,相位修正后的变换器系统的出射高斯纯度从92.7%提高到99.6%,结合98.8%以上的功率传递效率,实现了性能优越的高阶回旋管准光模式变换器原型设计。     

W波段准光模式变换器的设计

准光模式变换器是大功率输出回旋管的关键部件.采用高转换效率的准光模式变换器可以横向输出电磁波,增大收集极的尺寸,提高回旋管的输出功率,提高整管效率.该文设计的回旋管内置准光模式变换器由Denisov辐射器天线和四个反射镜组成,输入频率为94GHz,模式为TE_6,2模.采用耦合波理论分析和优化了Denisov辐射器内的场分布,并根据矢量绕射理论编制数值模拟程序计算了各个反射镜上的场分布,其输出功率转换效率达97.2%.利用三维全波仿真软件feko6.0进行对比分析,最后加工所设计的结构并内置于回旋振荡管进行热测实验,结果表明其输出场分布与理论计算结果基本一致.