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用于谐波倍增回旋管放大器的Ku波段输入耦合系统的研究

朱敏  
【摘要】:回旋管放大器通常工作在圆波导的高次模式,采用高次模工作的回旋管需要有相应的输入耦合系统来实现矩形波导基模(TE_(10)模)到圆波导高次模(通常为TE_(0n)模)的转换以完成信号的馈入。采用高次模式将不可避免地带来模式竞争,为了提高回旋管的性能参数,保证回旋管工作的稳定性、高效率和宽带宽,有效地抑制回旋管工作中寄生模式的振荡至关重要。如果回旋放大器采用的电路本身对某一特定的模式,如TE_(02)模,具有高度的模式选择性,而对其它的模式具有抑制作用, 这对放大器性能的改善非常有意义。本文研究的输入耦合系统就是这样一种具有模式选择特性的模式转换电路。该输入耦合系统工作在Ku波段,用来激励并传输TE_(02)圆电模,它包括三个主要部分:宽带盒型微波输入窗;同轴过渡耦合输入段和渐变开槽波导模式变换器。 本文先从理论上对构成输入耦合系统的各主要组成部分进行了必要的分析:给出了求解盒型微波窗各关键几何尺寸的数学表达式;利用模式耦合理论,从一般电报方程导出了同轴扇形渐变波导的耦合波方程,获得同轴扇形渐变波导中输入模式与其它模式之间的模式转换系数关系。应用上述结果,计算了工作模式与其它传输模式之间转换系数与频率、渐变过渡长度以及终止扇形角之间的关系;讨论了渐变开槽波导模式变换器中实现圆电模TE_(0,n)模和TE_(0,n+p)模相互转换的条件和物理过程。 其次,利用Ansoft HFSS软件对输入耦合系统的各组成部分进行了数值模拟:优化了盒型窗的性能参数,得到了理想的带宽特性曲线;确定了扇形渐变波导中扇形渐变段的长度,分析了工作频带内竞争模式对工作模式的影响,探讨了滤模加载对改善模式转换性能的作用。模拟结果表明,滤模加载可以削弱竞争模式对工作模式的影响,使转换效率曲线变得光滑而平坦;详细计算了渐变开槽波导中渐变段长度和开槽个数对TE_(0,n)(?)TE_(0,n+p)模式转换效率的影响,得到了相应的转换效率曲线和模式转换图。 最后,在确定了同轴扇形渐变段与渐变开槽波导段之间衔接部分长度的基础上,对输入耦合系统总体模式转换效率的幅频特性进行了模拟计算,根据计算结果,对部分参数进行修正,得到了更为合理的输入耦合系统几何尺寸。最终的计算结果显示,该输入耦合系统对工作模式TE_(02)具有较好的选择性,能有效地抑制其它竞争模式,并在中心频率约为12.71GHz附近获得了810MHz(约6.37%)工作带宽。


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