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。     

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%。     

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.     

TE22,6模式—高斯波的准光模式转换器设计

准光模式转换器是高功率毫米波回旋管的重要组成部份,能够实现电磁波与电子注的分离、隔离波的反射,并实现回旋管的高斯波束输出。基于耦合波理论,分析设计出用于频率140 GHz、TE22.6模式回旋管的Denisov辐射器;基于几何光学理论,设计出准光反射镜面系统,并采用Feko软件进行优化。计算结果表明,所设计的准光模式转换器系统的转换效率约为97.3%,波束的高斯含量约为93.3%,达到了回旋管的应用需求。     

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%.     

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。     

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.     

三反射镜准光模式变换器的设计与模拟

本文设计了一种用于W 波段边廊模回旋振荡管的三反射镜准光模式变换器。该模式变换器由一个Vlasov 型螺旋 切口辐射器和三面聚焦反射镜构成,可以将回旋管输出的高阶模式高效地转换为准高斯模式。根据矢量绕射理论和物理 光学法编写了模拟仿真程序,并对辐射器和反射镜的空间辐射场进行了计算、优化和分析。计算结果表明：输出波束中 高斯基模的标量相关系数为97.9%,矢量相关系数为95.9%,转换效率达到了81.5%。     

426GHz回旋管准光模式变换器

采用几何光学模型研究并设计了一个由Vlasov矩形开口辐射器和两级曲面反射器组成的太赫兹回旋管准光模式变换器。利用几何光学理论对Vlasov型准光模式变换器进行了初步设计,采用矢量绕射理论对准光模式变换器进行了详细的分析并编写相应程序,最后结合具体设计参数,得到工作模式在模式变换器中的变换过程。模拟结果表明,太赫兹回旋管中的TE0.6模式在输出窗处被转换为能量集中的准Gauss波束,其效率为89．0％。     

94 GHz回旋管准光模式变换器的数值模拟

对回旋管内置准光模式变换器进行了理论研究和数值模拟。基于几何光学理论和矢量绕射理论,编制了模拟电磁场行为的分析和优化程序,采用Vlasov辐射器和准光反射器实现了线极化准高斯模HE11。结果表明:在一级反射镜下的转换效率为88.3%,增加反射镜级数会降低转换效率。     

太赫兹宽带Denisov型准光模式变换器的设计分析

研究并设计了一种具有宽频带工作能力的太赫兹准光模式变换器。该准光模式变换器采用具有高效率特性的Denisov 辐射器,工作在TE_6,2模式,用于实现回旋管内的模式变换。由于Denisov 辐射器的参数是影响准光模式变换器宽带性能的主要因素,因此通过对辐射器参数的优化设计,达到增大模式变换器带宽的效果。使用自主开发的准光学模拟程序进行仿真,模式变换器中心频率为94 GHz,带宽达2 GHz。     

Ka波段紧凑型TE01-TE11椭圆波导模式转换器的研究(英文)

本文对椭圆波导TE₀₁-TE₁₁模式转换器进行了研究。选择了合适的椭圆波导截面,在椭圆波导纵轮廓线函数中采用了相位重匹配方法,并利用粒子群算法进行了纵轮廓线优化,所设计的椭圆TE₀₁-TEs₁₁模式转换器在28 GHz时的转换效率为99.16%,在27～29.3 GHz模式变换器的效率大于90%,相对带宽为8.2%。所设计的TE₀₁-TEs₁₁椭圆模式转换器的转换段为现有长度的一半。将设计的椭圆模式转换器与两个过渡段相连,并在CST中进行仿真和验证,其结果与理论计算一致。设计出了一个中心频率点为28 GHz的高效、紧凑、高功率椭圆波导TE₀₁-TE₁₁模式转换器。     

应用于动态核极化核磁共振系统的改进型传输线研究（英文）

基于几何光学理论和矢量衍射理论,设计了263 GHz DNP-NMR谱仪的改进反射镜系统,并进行了数值模拟.该系统包括两个波纹波导、一个抛物面镜和一个角度可调的相位校正镜.仿真结果表明,获得了聚焦良好的类高斯输出光束,其标量高斯模含量为99.90%,矢量高斯模含量为99.55%.只有通过调整相位校正镜的角度来匹配DNP-NMR样品,才能改变输出光束的方向.当输出光束方向在±15°变化时,标量高斯模含量约为99.57%,矢量高斯模含量约为98.97%.     

应用于动态核极化核磁共振系统的改进型传输线研究

基于几何光学理论和矢量衍射理论,设计了263 GHz DNP-NMR谱仪的改进反射镜系统,并进行了数值模拟.该系统包括两个波纹波导、一个抛物面镜和一个角度可调的相位校正镜.仿真结果表明,获得了聚焦良好的类高斯输出光束,其标量高斯模含量为99.90%,矢量高斯模含量为99.55%.只有通过调整相位校正镜的角度来匹配DNP-NMR样品,才能改变输出光束的方向.当输出光束方向在±15^o变化时,标量高斯模含量约为99.57%,矢量高斯模含量约为98.97%.     

140 GHz回旋振荡管Denisov辐射器设计

根据几何光学和耦合波理论研究高功率回旋振荡管高阶模式在微扰圆波导中的准光传输特性,并编制出带有微扰结构辐射器准光模式变换系统的仿真程序,给出140 GHz回旋振荡管Denisov辐射器的设计方法及结果,分析其内部激励起的各模式的功率分布曲线和波导壁上的电流密度分布,得到扰动长度为60 mm,总长度为136.5 mm的Denisov辐射器结构,输出功率转换效率为99.1%,可满足140 GHz整管参数设计要求。并利用Feko软件对数值计算结果的可行性进行了有效验证,从而为热核聚变用回旋振荡管的研制打下技术基础。     

W波段边廊模回旋管Vlasov模式变换器的辐射场研究

采用几何光学模型详细研究了边廊模回旋管中Vlasov模式变换器的工作原理,利用等效像源模型结合矢量绕射理论分析了通过此模式变换器的辐射场.考虑W波段边廊模回旋管的具体参数,通过数值计算,讨论了通过Vlasov模式变换器后辐射波束的场分布特性.结果表明,Vlasov模式变换器将回旋管中的高阶边廊模式转换为自由空间的高斯模式,且远场的高斯场型较近场更好.     

140GHz回旋行波管放大器准光学注入结构的设计(英文)

作为140 GHz共焦波导回旋行波管放大器设计中的一个创新部分,关于准光学注入结构的设计方法将详细论述.归因于高斯光束对频率扰动的欠敏感特性,这样的注入结构具有比传统波导插入耦合器更大的带宽.注入系统包括耦合天线、镜面变换器和波纹波导三个部分,最终在高于50%功率注入水平下达到6.8 GHz的带宽,并克服了可能的寄生模式振荡和由加工误差导致的注入效率迅速下降的问题.