W波段TE6,2模同轴开放式谐振腔的研究与设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:沈文渊

  详细研究了一种用于回旋管冷测的三段式同轴谐振腔模式激励器,该模式激励器利用同轴开放腔的选频选模特性将输入的W 波段的波功率转换为TE6,2模式输出。基于缓变截面波导理论,研究了同轴谐振腔激励TE6,2模式的机理; 求解了同轴波导中TE 模式的特征根和不均匀弦方程并得到腔体谐振频率及Q 值; 分析了同轴腔内外半径对谐振频率的影响; 给出了W 波段高纯度TE6,2模谐振腔优化设计的参数; 并用电磁仿真软件对其进行仿真计算,结果表明: 该谐振腔的TE6,2模式纯度达到99. 51%。

  回旋管在可控热核聚变、毫米波高分辨率成像雷达等方面有非常重要的应用。为了提高回旋管功率容量,一般采用大尺寸的开放腔体结构作为注-波互作用电路,使其工作在高阶边廊模或高阶体模,开放式谐振腔的设计对于这些高阶模式的谐振和激励非常重要。同时,回旋管直接输出的高阶模式并不适合直接传输或使用,必须借助准光模式变换器将其转化为TEM00或HE11模式; 在回旋管准光模式变换器安装之前的冷测中常常也需要采用开放式谐振腔作为高阶模式激励器。国内外报道的回旋管谐振腔( 包括高阶模式激励器) 的设计主要有两种: 工作于圆对称模式( 如TE0,n) 的回旋管使用空腔谐振腔; 工作于高阶不对称腔模( 如TE28,8,TE39,9) 的回旋管主要使用同轴谐振腔。

  随着模式阶数的提高,模式谱密度逐渐增大,腔体对于选模的要求也就越高。使用同轴腔可以提高模式的隔离度,对于提高目标模式纯度和抑制模式竞争有非常重要的意义。

  针对W 波段,工作模式为TE6,2的回旋管,本文研究并设计了用于回旋管冷测的同轴谐振腔。详细研究了同轴腔抑制竞争模式、选择目标模式的原理,求解了三段式同轴腔的特征方程,给出了同轴腔谐振模式的幅值沿轴向的变化曲线,并用电磁仿真软件对设计进行了仿真,计算了谐振腔输出的TE6,2模式纯度。本文工作为进一步研制圆波导高阶模式激励器奠定了基础。

缓变截面波导理论

  在同轴开放式谐振腔的设计中,为了提高模式的隔离度和腔体选模效率,腔体沿轴向会有一定的缓变分布从而使工作模式在开放式腔体中形成谐振。由于这种腔体随轴向的变化非常小,因而可以用缓变截面的方法来研究。缓变波导中电场矢量可以表示为

W波段TE6,2模同轴开放式谐振腔的研究与设计

  式中kmz为纵向传播波数,f m( z) 为纵向场幅值的缓变函数,m 代表各个模式。由于电场矢量满足波动方程:

W波段TE6,2模同轴开放式谐振腔的研究与设计

结论

  同轴谐振腔是工作于高阶模式的回旋管及其模式激励器的重要组成部分,提高腔体选频选模特性、抑制杂模是设计准光模式激励器的关键。本文从同轴波导的缓变截面理论出发,研究并设计了三段式同轴谐振腔,谐振腔工作主模为TE6,2模,工作频率为94. 8 GHz,并使用电磁仿真软件对设计结果进行仿真验证,结果表明目标模式的纯度达到99. 51%。

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