基于矩形结构的大功率微波弯头研究

摘要

高功率回旋管因其具有高功率和宽带宽的优势，在毫米波雷达和通讯等领域有着广泛的应用前景，得到国内外研究人员的重视。随着应用系统的不断发展，与回旋行波管配套的高功率传输器件，也成为了国内外众多科研人员积极研究的热点。
　　波导弯头是微波传输系统中的重要器件之一。在高功率传输的情况下，圆波导弯头中工作模式与寄生模式之间极易出现相互耦合的现象，而且这种耦合很难通过变曲率的方式去消除，势必会极大的影响弯头工作性能。与圆波导相比，在过模情况下，弯曲矩形波导中的模式之间的耦合更加容易控制，能否利用矩形波导的这一特性实现波导转弯的宽频带和高效率是本论文关注的重点技术问题。本论文的主要工作和贡献如下：
　　1、研究了过模弯曲矩形波导中的模式耦合问题，建立了相应的数学模型，并对矩形波导中各模式之间的耦合系数进行了详细的推导和归纳总结。
　　2、在理论推导的基础之上，编写了弯曲矩形波导耦合波方程组的数值求解程序。并在仿真软件HFSS中建立了仿真模型，将仿真计算结果与数值计算结果进行了对比，验证了数值计算程序的正确性，但在分析速度方面，数值计算程序的速度约为仿真软件计算速度200倍，这样大大缩短了分析所需的时间，为后续电大尺寸弯头的优化计算提供了必要的工具。
　　3、利用数值计算工具和仿真软件，优化设计了具有矩形结构，口径为50mm，工作在Ku波段的 TE01弯头。计算结果如下：传输效率在96％以上的带宽可达到13.9%，最高传输效率为99.97%。
　　4、利用数值计算工具和仿真软件，对一种极化可控的 TE11弯头进行了分析和优化设计，该弯头工作于Ku波段，口径为32mm。提出的结构可以保证在引导TE11模式高效率转弯的同时，既能够实现 TE11模式线、圆极化之间相互转变也可以实现 TE11模式极化不变的传输。为了验证方案的可行性，对第二种情况的弯头进行了加工测试，S-参数的测试结果表明：在13GHz-15GHz的频率范围内，TE11弯头的传输效率高于97%；空间辐射场测试表明：线极化 TE11模式在经过该弯头之后能够保持极化方向不变的输出，功率容量测试结果表明：在频率13GHz~15GHz、峰值功率120kW、平均功率10.4kW的情况下，研制的弯头未发生击穿现象。
　　5、鉴于矩形弯曲波导在弯头中的成功应用，本章节还尝试将矩形弯曲波导应用到了TE01-TE11蛇形弯曲模式变换器中的设计中，期望能够探索出一种宽频带的模式变换器设计方案。结合数值计算工具和仿真软件，对一种工作在Ka波段，口径为23mm，改进型的TE01-TE11蛇形弯曲模式变换器进行了优化设计。计算结果表明：最高转化效率为98.5%，相对带宽为11.5%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2过模波导弯头的研究现状

1.3本学位论文的主要工作与贡献

第二章 弯曲矩形波导的耦合波理论研究

2.1 耦合波理论基础

2.2 轴线弯曲矩形波导的耦合波方程和耦合系数

2.3弯曲矩形波导数值计算与仿真结果的对比

2.4 小结

第三章 Ku波段TE01模90°弯头研究

3.1 TE01模90°弯头模型

3.2 圆到矩形过渡段

3.3 90°弯曲矩形波导的分析

3.4 Ku波段TE01弯头的整体仿真结果

3.5 功率容量分析

3.6 小结

第四章 极化可控的Ku波段TE11弯头研究

4.1 TE11弯头的结构

4.2 TE11弯头设计

4.3 TE11弯头的加工与测试

4.4 小结

第五章 Ka波段宽带蛇弯波导变换器的研究

5.1 Ka波段TE001-TE011模式变换器的分析与设计

5.2 大口径TE02-TE01蛇形弯曲模式变换器的研究

5.3 小结

第六章 结束语

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果