高功率微波传输线及模式变换研究

【摘要】： 回旋管是一种重要的新型毫米波器件，具有高峰值功率、高平均功率、高增益、高效率、适当带宽等优点，很适合作毫米波雷达、相控阵雷达、通信及电子对抗、受控热核聚变、工业加工等系统用功率源。作为高能量的微波传输和模式转换部分是回旋管的重要部份，它使回旋管的能量以有效的方式传输和辐射。因此，具有重要的研究价值和应用价值。本论文工作是在“九·五”预研项目， “十·五”预研项目， “十·五”高技术863的资助下，对几种回旋管和高功率微波器件的微波传输和模式转换部分作了全面深入的理论和数值模拟研究，设计加工模式变换器已成功的应用于西北核技术研究所的实验中。本论文的主要工作和贡献在于： 1. 研究了过模圆波导轴线弯曲波导和半径微扰变形中的模式耦合问题，并在耦合波理论的基础上，应用“正交函数的展开理论”，将波导内的场展开为电波和磁波“驻波”的级数形式，导出传输线方程组。通过耦合波传输线方程组导出耦合波方程组及相应耦合系数的一般表达式。 2. 系统的研究了高功率微波系统中波导各种变形对波传播的影响。详细分析了实现模式转换所需的条件，讨论了不同条件下，数值求解耦合波方程的方法及优化算法。研究、分析计算和讨论了各种数学模型及其计算方法。并对数学模型及计算方法进行了直接或间接地验证。 3. 研究了常曲率弯曲和变曲率弯曲模式变换器，编制和发展了“高功率过模波导模式转换结构摸拟”软件。采用不同几何结构和相应的相位重匹配方法，设计出了高效、宽带、紧凑的过模波导模式转换器，并得出了波导半径、频率、弯曲曲率和带宽之间的相互变化关系。以此研制的中心频率8.8GHz，直径的双弯曲TM01—TE11模式变换器已成功的应用于西北核技术研究所的实验中，其设计效率为。研究了TE01—TM11模式变换的两种结构，首次改进了正弦弯曲结构，有效地抑制了寄生模式的输出功率，提高模式转换效率，并可使转换器的长度大为缩短。首次分析了弯曲圆波导TE01—TM11模式转换临界角θc的情况。在临界角情况下，若考虑多模因素，则不能使TE01—TM11的能量发生全转换，而真正的最优化能量全转换角在临界角的附近，且转换的效率与弯波导曲率相关。 WP=8 4. 针对半径渐变微扰波导模式变换器进行了详细的数值模拟和设计。采用相应的相位重匹配技术，可设计出高效、宽带、紧凑的过模波导TE0n—TE01、TM0n—TM01以及采用中间过度模式的TM01—TE11模式转换器。同时为“十·五”军事预研项目设计出高性能TE01—TE11模式转换器。 5. 首次详细数值研究了回旋放大器件的新型电子枪端微波输入结构，采用准光模式变换对电子枪阳极进行了优化设计，使电子枪和模式传输与转换的作用融为一体。同时考虑了阳极对电子注的影响。准光模式变换器主要采用矢量绕射理论和几何光学理论，并结合两种理论设计复杂反射曲面。应用分小块的方法，调整入射波束的相位和方向，提高输出波束的质量和准光模式转换的效率。