螺旋波纹波导在高功率微波领域中的应用研究

螺旋波纹波导是一种具有特殊结构的高功率微波源波导结构,螺旋波纹波导的特殊结构使得TE11和TE21两模式在角向耦合,耦合出的新工作模式具有良好的色散特性和模式选择特性,因此该波导具有广泛的应用价值。简要地介绍了螺旋波纹波导的结构原理,概述了该波导在高功率微波领域的工作原理。通过分析和模拟计算表明,螺旋波纹波导在高功率微波源中极具发展潜力,值得进一步研究。     

螺旋波纹波导中的返波

从螺旋波纹波导的一般性耦合波传输方程出发,根据螺旋波纹波导的模式耦合规则给出该波导内返波的耦合波方程和色散方程并分析其色散特性,由此分析螺旋波纹波导返波管的工作机理,并通过耦合波理论计算出本征模式中场的分布情况.     

Ku波段螺旋波纹波导回旋行波管色散特性研究

为抑制回旋行波管的自激振荡和增加回旋行波管带宽,俄罗斯G.Denisov等人提出一种新型回旋行波管结构——螺旋波纹波导回旋行波管。通过螺旋波纹波导的特殊结构使通过波导的两种模式发生耦合,耦合出一种新的工作模式,从而改变色散特性,达到抑制自激振荡和增加带宽的目的。通过螺旋波纹波导的色散方程,分析其色散曲线,从而分析螺旋波纹波导作为回旋行波管高频系统的优势。     

基于行波法对螺旋波纹波导色散特性的仿真

为研究螺旋波纹波导的色散曲线特性,利用阻抗微扰法对螺旋波纹波导色散方程进行求解,并分析了波导尺寸的变化对色散特性的影响。针对目前采用谐振法仿真色散曲线时存在模式分割以及谐振点的选取问题,利用行波法(不属于波纹波导理论体系下的新方法)对不同频率下的色散值进行仿真求解。研究结果表明,基于行波法仿真得到的色散曲线与由Matlab计算得到的理论色散曲线吻合度好,计算过程不涉及波纹波导理论体系下谐振点的选取问题,相比传统的谐振法,整个仿真计算过程更简洁。     

140 GHz螺旋波纹波导小回旋行波放大器的研究

针对140 GHz回旋行波管,采用三折螺旋波纹波导作为慢波结构,通过色散特性分析优化螺旋波纹波导结构参数,达成了抑制模式竞争和扩展带宽的目的;依据布拉格衍射机理设计了输入耦合器,能够确保电子束有效流通以及信号稳定输入,且在136.5~144 GHz范围内,S_(21)>-0.5 dB。以小回旋电子注为激励源对该螺旋波纹波导回旋行波放大器进行了PIC仿真,当输入信号的频率为140 GHz、功率为50 W时,输出信号功率为223 kW,增益为36.49 dB;在134~142 GHz的频率范围时,输出功率在113~223 kW之间,3 dB带宽大于8 GHz。本文将螺旋波纹波导结构应用于140 GHz并取得了高增益和大带宽,对后续在更高频率的研究和工程应用具有较高的参考价值。     

圆形槽波导-波纹圆形槽波导模式变换器的仿真设计

应用基于有限元方法的仿真软件HFSS,分析和设计了圆形槽波导-波纹圆形槽波导模式变换器。变换器由具有渐变波纹深度的波纹圆形槽波导构成,可实现TE11到HE11的模式转换。分析表明,变换器的长度和第一个波纹的深度是影响其性能的主要因数。在保持变换器优化长度不变的条件下,调整波纹周期、增加波纹数目和波纹宽度对改善变换器的性能效果不明显。所设计的具有5个渐变深度波纹的模式变换器,在中心频率36GHz上回损可达30dB。变换器实测的结果与仿真分析之结论吻合较好。     

94GHz二次谐波回旋管波纹波导模式转换

在耦合波理论的基础上,详细讨论了3mm二次谐波渐变复合腔回旋管内置TE03—TE02—TE01模式转换器,并使模式转换器兼作回旋管的收集极.采用波纹波导结构和不同的相位重匹配技术进行优化分析,得到了可靠的最优几何参量.以此结果设计出了紧凑、高效的94GH z波纹波导模式转换器,并在回旋管的热测实验中测出模式样图.     

正弦波纹太赫兹慢波结构高频特性研究

针对真空电子太赫兹辐射源的发展需要,本文分析和设计了一种微型正弦波纹慢波结构。利用三维电磁仿真软件研究并分析了其高频特性,并对主要结构参数进行了优化,给出了不同参数下的色散特性和耦合阻抗。仿真结果表明:增加波纹深度可降低电磁波相速,同时增大耦合阻抗;缩短周期长度可提高工作频率;增大横截面宽度可降低相速;降低电子注高度可提高耦合阻抗等。     

色散对圆柱形光子晶体波导传输模式的影响

利用材料的色散关系和特征矩阵法研究了一维圆柱形光子晶体波导中TE波和TM波模式禁带的变化特征,得出了TE波和TM波模式禁带随色散强度、色散厚度的变化规律.色散强度和色散厚度都会对一维圆柱形光子晶体波导中TE波和TM波的模式禁带产生影响.利用TE波和TM模式禁带随色散强度、色散厚度的变化规律,可实现对一维圆柱形光子晶体波导中TE波和TM波各传输模式的有效控制.     

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.     

1维方形掺杂光子晶体波导中缺陷模的色散特性

为了研究1维方形掺杂光子晶体波导中缺陷模的色散,采用特征矩阵的方法研究了1维方形掺杂光子晶体波导中TE波和TM波缺陷模的变化特征,得到了TE波和TM波的缺陷模随色散强度、色散厚度变化的结果。结果表明,色散强度和色散厚度都会对1维方形掺杂光子晶体波导中TE波和TM波的缺陷模产生明显的影响;利用TE波和TM波的缺陷模随色散强度、色散厚度的变化规律,可以有效地实现对1维方形掺杂光子晶体波导中TE波和TM波各传输模式的有效控制。     

矩形波导中主模电磁波传播特性研究

矩形波导主模电磁波是波导传输中使用最多的模式。为了能深入了解其传播特征。从波导的截至波长入手,讨论了电磁波单模传播的条件。得出结论：主模传播需要电磁波波长和波导尺寸之间满足一定关系。推导出主模电磁波的场方程,利用该场方程,结合一定尺寸的矩形波导管,模拟出一定频率的主模电磁波分布图,进而总结了主模电磁波传播的主要特征。这...     

介质平面光波导TE0模模场分布的高斯近似

基于介质平面光波导端面无受限衍射场光束的光束传输因子的特点,阐明光波导TE0模模场分布采用高斯分布近似表达的合理性。基于场分布间的匹配效率计算公式,提出采用等效匹配效率方法确定用于高斯近似表达的等效模场半宽度,给出基于光波导芯层半宽度和归一化芯层驻波参量和归一化包层倏逝波参量表达的光波导等效模场半宽度的函数表达式,给出高斯近似分布与光波导本征场分布的匹配效率,阐明采用等效匹配效率方法确定等效模场半宽度的合理性。采用求解方程组的方法,给出基于光波导芯层半宽度和归一化频率表达的光波导等效模场半宽度的拟合函数表达式,并基于拟合引起的误差分析阐明了拟合函数表达式的精确性。     

含单负材料对称三层平板波导的模式特性

由电磁场的波动方程和边界条件建立了单负材料作为芯层的对称三层平板波导的模式本征方程,用图解法研究其色散特性。研究发现,单负介质波导不支持快波的传播,只支持表面波的传播。在负磁材料平板波导中只存在TE表面模,不存在TM表面模。分析了在负磁材料平板波导中TE模受磁导率的比值-μ2／μ1和波导参数的影响,给出了横向场分布图。在-μ2/μ1〈1时,偶对称只有TE0表面模存在,奇对称只有TE1表面模存在,高阶模式并不存在,且两种模式都没有低频截止;-μ2/μ1〉1时,TE1表面模始终不出现;TE0模的存在与否和波导参数有关,在一定条件下TE0模可出现双模并存。给出的结果可望对表面波器件的设计提供理论基础。     

杂质吸收对光子晶体缺陷模偏振态的影响

引入复折射率并利用特征矩阵法,研究了杂质的吸收对TE波和TM波缺陷模透射峰的影响.得出:杂质的消光系数对TE波和TM波的缺陷模透射峰都有显著的影响,但对TE波缺陷模的影响比对TM波缺陷模的影响更为明显.当消光系数一定时,TE波的缺陷模透射峰随入射角的增大而迅速减小,而TM波的缺陷模透射峰随入射角的增大而增大.利用这一特性可以设计光子晶体偏振滤波器.     

W 波段全带宽TE10-TE20模式转换器的研制

新一代W波段慢波结构行波管对波导TE10-TEn0 模式转换器的低损耗、宽带、转换效率等高性能方面提出了要求。 文中重点研究一款全W波段波导模式转换器的设计,实现E 面TE10 输入到H 面TE20 输出的模式转换,并结合高效率转换 结构,给出实际性能验证。首先,分析了波导TEn0 模分布特点,提出E 面功分结构、集成扭波导结构及H 面反相合成等单元 结构;其次,给出TE10-TE20 模式转换整体方案设计与电路优化;最后,结合H 面异相功分结构集成,基于计算机数控技术,实 现该W波段模式转换模块的制备,并完成三端口性能测试。实测结果表明,W 波段全带宽内(75 GHz~110 GHz),该TE10-TE20 模式转换模块输出端口功率分配比为-3.2 dB±0.2 dB,相位差为180°±2°,输入端口回波损耗优于-20 dB,且实测性能 均与仿真结果高度一致,验证了W波段宽带TE10-TE20模式转换器的高效率、低损耗、可行性及鲁棒性。     

矩形波导TE10模的仿真与分析

针对矩形波导TE10模的特点,为了提高电磁设计性能,设计出矩形波导TE10模的仿真模型。本文首先根据电磁场传播理论,采用直角坐标系分析对无源自由空间电场和磁场采用矢量亥姆霍茨方程分析,得出矩形波导中传输模式及其场分布,然后分析了矩形波导中传输模式的纵向传输特性,最后利用HFSS软件对矩形波导TE10模的场结构进行三维空...     

三层介质波导中TE波的转移矩阵及场分布研究

从TE波的波动方程出发,根据电磁场的边界条件,推导出了三层介质平板波导中电场的表达式,得到了波导层TE波的转移矩阵和模式本征方程,并计算出了光波的功率流密度分布,通过对传输功率流的分析得到:在平板介质波导中,传输电磁能量的厚度大于薄膜的实际厚度.最后用Matlab描绘的本征值图对场分布进行了研究,从图中得到:在对称平板波导中没有截止厚度和截止频率,而非对称平板波导中存在截止厚度和截止频率,薄膜厚度越大,能承载的导模数越多.