94 GHz TE02�；匦�管Vlasov 模式變換器的設(shè)計(jì)與模擬

　　該文研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)由Vlasov 階梯型開口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器組成的TE02�；匦�管準(zhǔn)光模式變換器。首先采用幾何光學(xué)研究了階梯型開口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器的具體形狀, 再利用矢量繞射理論分析了其工作過(guò)程, 最后結(jié)合94 GHz TE02�；匦�管的具體參數(shù), 編寫仿真程序詳細(xì)討論了工作模式在此模式變換器中的變換過(guò)程。模擬結(jié)果表明, 94 GHz 回旋管中的TE02模在輸出窗處被轉(zhuǎn)換為能量集中的準(zhǔn)高斯波束, 轉(zhuǎn)換效率為78.35%。

　　回旋管是一類以電子回旋脈塞( Electron Cyclotron Maser, ECM) 為機(jī)理而發(fā)展起來(lái)的快波器件[1] , 它填補(bǔ)了傳統(tǒng)微波管( 如行波管、速調(diào)管等) 和激光器在毫米和亞毫米波段的缺口[2-3] , 因而在受控?zé)岷司圩兊牡入x子體加熱、高能粒子加速器、毫米波定向能武器、材料處理及等離子體化學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4-6] 。

　　隨著回旋管向著高頻率、高功率發(fā)展, 其工作模式大多采用低損耗的高階腔體模式, 而高階腔體模式由于在傳輸過(guò)程中存在嚴(yán)重的衍射和極化損耗,實(shí)際上并不適合于自由空間的傳輸, 必需將其轉(zhuǎn)換為利于傳輸?shù)牡碗A波導(dǎo)模式或自由空間的高斯波束。采用傳統(tǒng)的波導(dǎo)模式變換器進(jìn)行模式降階變換時(shí), 變換器的尺寸巨大, 加工困難, 且模式競(jìng)爭(zhēng)和損耗嚴(yán)重, 實(shí)際上并不可行。因此, 一般采用準(zhǔn)光模式變換器( Quasi Optical Mode Converter) 來(lái)實(shí)現(xiàn)高階模式向低階模式的高效轉(zhuǎn)換。俄羅斯科學(xué)家Vlasov等[ 7]首先提出的準(zhǔn)光天線, 后發(fā)展成為Vlasov 型準(zhǔn)光模式變換器, 不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊而且有效, 因此很快被廣泛運(yùn)用到高功率微波領(lǐng)域。

　　目前, 綜合設(shè)計(jì)合理的準(zhǔn)光模式變換器已成為國(guó)際上大功率級(jí)別回旋管研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[8-12] 。由于我國(guó)在高頻率高功率回旋管的研制方面與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大, 國(guó)內(nèi)對(duì)大功率級(jí)別回旋管橫向準(zhǔn)光輸出的研究無(wú)論是在理論還是實(shí)驗(yàn)方面都處于探索階段[13-14] , 正是如此, 結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室具體管型詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析準(zhǔn)光模式變換器具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

　　本文將研究和設(shè)計(jì)一個(gè)適用于圓電�；匦�管準(zhǔn)光輸出的Vlasov 型準(zhǔn)光模式變換器。首先, 采用幾何光學(xué)研究并設(shè)計(jì)Vlasov 開口輻射器和二級(jí)曲面反射器( 由橢圓面反射器和拋物面反射器組成) , 再利用矢量繞射理論分析此模式變換器的工作過(guò)程, 最后通過(guò)編寫計(jì)算仿真程序模擬94 GHz TE02�；匦�管具體參數(shù)下此模式變換器的工作, 并討論其輸出結(jié)果。

1 、圓電�；匦�管Vlasov 模式變換器的理論

　　如圖1 所示, 本文研究的圓電�；匦�管Vlasov型準(zhǔn)光模式變換器由Vlasov 階梯型(SteppedCut) 開口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器組成。由于工作在高階腔體模式下的回旋管其腔體尺寸和開口輻射器切割長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其工作波長(zhǎng), 因此采用幾何光學(xué)理論研究Vlasov 準(zhǔn)光模式變換器的機(jī)理并指導(dǎo)設(shè)計(jì)能夠保證精度要求。

圖1 圓電模Vlasov 模式變換器結(jié)構(gòu)示意圖

4 、結(jié)論

　　準(zhǔn)光模式變換器能將回旋管內(nèi)工作的高階腔體模式轉(zhuǎn)換為利于自由空間傳輸?shù)木�極化低階波導(dǎo)模式或自由空間高斯模式, 且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊高效,被廣泛地用于大功率級(jí)別回旋管中。Vlasov 模式變換器作為準(zhǔn)光模式變換器的一種主要類型, 在高功率微波領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。本文詳細(xì)研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)由Vlasov 階梯型開口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器組成的Vlasov 型準(zhǔn)光模式變換器。首先采用幾何光學(xué)導(dǎo)出了Vlasov 階梯型開口輻射器和曲面反射器理論, 再利用矢量繞射理論分析了此變換器的工作過(guò)程, 通過(guò)編寫MATLAB 計(jì)算仿真程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析了工作頻率為94 GHz, 工作模式為TE02模的W 波段回旋管的Vlasov 模式變換器。模擬結(jié)果表明, 94 GHz 回旋管內(nèi)的工作模式TE02圓電模被Vlasov 模式變換器逐漸變換, 在輸出窗處被變換為能量集中且場(chǎng)型較好的準(zhǔn)高斯波束, 束腰為11.9mm ∃ 11.2 mm, 轉(zhuǎn)換效率為78.35%。此工作將為研制W 波段圓電�；匦�管的準(zhǔn)光輸出提供理論和設(shè)計(jì)方面的參考。由于本模型中沒(méi)有考慮目前比較主流的相位校正曲面反射器, 輸出高斯波束場(chǎng)型仍未達(dá)到最佳, 添加相位校正曲面反射器優(yōu)化高斯波束將是下一階段研究的重點(diǎn)。