高功率毫米波模式變換和傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、高功率毫米波系統(tǒng)主要由高功率毫米波源、模式變換和傳輸、發(fā)射子系統(tǒng)組成，在等離子體回旋共振加熱、高分辨率雷達(dá)、定向能武器、材料處理等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，屬于國際上一個研究熱點(diǎn)。在高功率毫米波系統(tǒng)中，毫米波源決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，而其它組分，例如模式變換和傳輸子系統(tǒng)則制約著毫米波源性能的有效發(fā)揮，因此研究高功率、高效率毫米波段模式變換器和過渡器（傳輸作用）的關(guān)鍵技術(shù)對充分發(fā)揮毫米波源的性能具有重要的意義。本文主要對高功率、高頻率毫米波

2、段模式變換器和過渡器的關(guān)鍵技術(shù)（變換或者傳輸效率、帶寬和緊湊性）進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。此外，本文也對W波段回旋管進(jìn)行了一些理論和實(shí)驗(yàn)研究。本研究成果和所反映的工作如下：
　　 ⑴運(yùn)用耦合波理論研究了兩種漸變輪廓的模式變換器。一種為軸對稱圓波導(dǎo)，其內(nèi)壁半徑作周期微擾波動；另一種為內(nèi)壁半徑不變的圓波導(dǎo)，其軸線在同一平面內(nèi)作周期擾動。它們分別可以實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)電磁模式徑向和角向指標(biāo)的改變。采用單純形優(yōu)化算法編制了分析和優(yōu)化這兩種模式變換器

3、的數(shù)值計(jì)算程序。利用所編制的計(jì)算程序分析、設(shè)計(jì)了TE03-TE02、TE02-TE01及TE01-TE11模式變換器。冷、熱測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果具有很好的一致性。為了改善TE01-TE11模式變換器帶寬，提出了變態(tài)結(jié)構(gòu)的TE01-TE11模式變換器。計(jì)算表明，變態(tài)結(jié)構(gòu)的模式變換器在變換效率、帶寬以及緊湊性方面都具有明顯的優(yōu)勢。
　　 ⑵編制了分析壁突變波導(dǎo)電磁特性的數(shù)值計(jì)算程序。作為一個例子，我們用該程序設(shè)計(jì)了-TE11-HE1

4、1模式變換器。同時(shí)，為了估算它對TE11和TM11模式的功率容量，我們還做了相應(yīng)的功率容量計(jì)算。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性。
　　 ⑶根據(jù)軸對稱正弦波紋輪廓模式變換器原理，推論出了正弦輪廓過渡器的工作機(jī)理，根據(jù)該機(jī)理提出了幾個正弦波紋輪廓圓波導(dǎo)模式變換器。編寫了分析它們的數(shù)值計(jì)算程序，對它們進(jìn)行了優(yōu)化分析。利用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)研制了這些過渡器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性。
　　 ⑷提出了兩種輪

5、廓的圓波導(dǎo)TE01模式過渡器，實(shí)現(xiàn)了TE02模式臨近截止和TE01模式臨近截止兩種情形下對TE01模式的高效傳輸。編寫了數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化程序，對其進(jìn)行優(yōu)化分析。計(jì)算表明與已有的圓波導(dǎo)漸變過渡器相比，這些過渡器具有傳輸效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果一致性良好。
　　 ⑸運(yùn)用矢量繞射理論、準(zhǔn)光理論編寫了分析付拉索夫模式變換器程序，計(jì)算表明TE01模式作準(zhǔn)光模式變換器饋源更有利于實(shí)現(xiàn)向高斯波束轉(zhuǎn)換。
　　 ⑹運(yùn)用注-波互

6、作用自洽非線性理論編制了分析漸變復(fù)合腔電磁特性的計(jì)算程序，采用該程序獲得了工作模式對為TE02-TE03的3mm波段復(fù)合腔二次諧波回旋管腔體的幾何和電磁優(yōu)化參數(shù)。粒子模擬軟件仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性。實(shí)驗(yàn)表明采用該復(fù)合腔的回旋管運(yùn)行頻率約為94GHz，峰值功率約為156kW，效率高于27％，與計(jì)算和仿真結(jié)果基本一致。根據(jù)回旋管注-波互作用理論和模式匹配法編寫了數(shù)值優(yōu)化計(jì)算程序，得到了94GHz單腔基波回旋管腔體幾何和電磁參數(shù)，