毫米波准光高阶模式激励器的研究与设计

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

  基于毫米波准光模式传输和变换理论,详细研究了准光模式激励器通过波纹喇叭天线、准抛物柱面反射器和同轴开放式谐振腔激励圆极化高阶目标模式的原理。分析了W 波段波纹喇叭天线产生准高斯模式HE11的过程;利用几何射线法研究了准抛物反射面天线作为腔体辐射馈源的设计方法;通过小孔耦合理论研究了侧壁开孔的三段式同轴谐振腔激励高阶模式的机理。同时,该文还优化设计了工作模式为TE62模,工作中心频率为94. 8 GHz 的准光模式激励器,使用三维电磁仿真软件FEKO 仿真计算结果表明该模式激励器在94 ~ 96 GHz 频率范围内目标模式的纯度超过95%,系统效率达到34%。

  回旋管作为一种新型的电真空器件,在热核聚变控制、高功率电磁加热和毫米波雷达等方面有非常重要的应用。为了提高回旋管功率容量常使其工作在高阶边廊模或高阶体模,由于这种高阶模式不方便直接传输和使用,因此需要借助准光模式变换器将其转化为低阶模式( 如TEM00或HE11) 。为了对准光模式变换器进行测试,需要设计出能够产生高纯度圆极化的高阶目标模式的激励器来模拟回旋管的高阶模式输出。国外学者对于这种测试技术( 称为冷测或低功率测量) 进行了深入的研究。Aleksandrov 首先提出了准光模式激励器的设计方法,他使用准光反射器将高斯波束馈入一个带有耦合小孔阵列的开放谐振腔,通过谐振腔的激励产生圆极化的目标模式;随后,他又提出使用同轴谐振腔来解决模式竞争问题,并设计了工作频率为118 GHz,工作模式为TE22,6的模式激励器。Castro 等在详细研究开放谐振腔Q 值的基础上设计了10 GHz,TE02的模式激励器。Pereyaslavets等在Densiov 和Vlasov 对准光反射器研究的基础上详细研究了带有小孔阵列的开放谐振腔的耦合原理,并设计了140 GHz,TE76,2的模式激励器,将准光模式激励法的效率从2% 提高到22%。Arnold 等设计了140 GHz,TE28,8的模式激励器;随后,他们改善方案实现了在105 ~ 150 GHz 的连续波段和9 个不同的工作模式下都得到了较高的模式纯度。国内对于准光技术的研究起步较晚,这种准光模式激励器的研究少有文献报导。

  本文在国外学者对准光模式激励器研究的基础上,详细研究了将低功率信号源输出的微波功率馈入波纹喇叭天线产生高斯波束,并将高斯波束馈入带有小孔阵列的同轴开放腔激励目标模式的过程。在此基础上设计了工作模式为TE62的W 波段准光模式激励器,模式纯度95%以上的带宽达到2 GHz。

  本文的工作为回旋管冷测用模式激励器的研究提供了理论依据和仿真设计方法,有助于推动更高阶工作模式的回旋管和毫米波准光器件的研究。

1、准光模式激励

  工作于高阶模式的回旋管采用内置准光模式变换器作为输出结构,其在安装之前需要采用模式激励器激励高阶模式对其进行冷测。冷测中一般采用固态微波源如信号发生器、矢量网络分析仪等产生微波信号,通过标准波导馈入到模式激励器并激励所需要的高阶模式,这种被激励起的高阶目标模式就作为待测准光模式变换器的输入信号。利用模式激励器对回旋管输出结构进行冷测的结构如图1 所示。准光模式激励器系统主要由波纹喇叭天线( H1) 、曲面反射器( M0) 和开放式谐振腔三部分组成。信号源输出特定频率的微波信号馈入波纹喇叭天线,辐射出准高斯平面波,利用抛物柱面反射器的聚焦作用将平面波耦合进谐振腔,通过谐振腔的选模特性激励起所需要的高阶模式。

准光模式变换器冷测结构示意图

图1 准光模式变换器冷测结构示意图

3、结论

  本文从毫米波系统准光传输理论出发,详细研究了使用波纹喇叭作为初级馈源,利用准抛物面反射器将高斯波束反射馈入带有侧壁开孔的三段式同轴开放式谐振腔激励高阶模式的原理;优化设计了工作于3 mm 波段的喇叭天线,其增益达到20 dB 并且辐射准高斯模式HE11;通过对天线和反射面系统进行计算给出了谐振腔的位置,最后对准光模式激励器系统进行整体仿真计算和位置优化,结果表明该模式激励器输出的圆极化TE62模式纯度在95%以上,工作带宽为2 GHz,系统效率达到34%。

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