220GHz边廊模准光模式变换器的研究

摘要

朝着高频率、高功率方向发展的回旋管其工作模式通常采用低损耗的高阶腔体模式，高阶腔体模式在过模结构中传输时衍射严重且极化损耗较大，因此需转换为自由空间高斯波束或者有利于传输的低阶波导模式。由于在高频段，传统的波导模式转换器对高阶模式进行降阶转换时存在很多困难和缺点。因此，可以通过Vlasov准光模式转换器将其工作模式转换为基模高斯波束（00TEM模）。本论文主要研究并设计一种220GHz52TE边廊模式准光 Vlasov模式转换器以及设计并加工实验测试一种220GHz由矩形波导10TE模式转换为圆波导01TE模式的侧壁耦合模式转换器。
　　首先利用几何光学理论详细分析了Vlasov模式转换器的基本原理并推算出辐射器结构的设计公式。根据光线传输的原理，通过坐标系的平移设计出空间中反射镜系统以及输出窗处的位置。利用矢量绕射理论描述了电磁波束在整个模式转换器中的转换过程，将螺旋切口的口径积分面分成两部分进行计算，然后对螺旋切口部分的遮挡效应进行了详细分析研究，运用迭代法算出螺旋切口部分向空间反射的电磁波。最后利用MATLAB软件编写了数值模拟程序，对中心频率220GHz、圆柱波导半径为5mm的52TE边廊模式进行数值模拟。模拟结果显示输出窗处的功率转换效率为78.24％，高斯成分含量为94.09%，束腰半径为6mm。
　　文章最后通过CST软件仿真和加工实验测试了一个220GHz的侧壁耦合模式转换器，将矩形波导的10TE模式转换为圆波导的01TE模式。仿真结果显示在中心频率为220GHz时的转换效率达到了99%以上，4GHz带宽范围内的转换效率为98.5%以上，在整个210GHz到230GHz频带范围内的噪声模式的损耗低于-45dB，仿真结果满足设计要求。对所设计的模型进行加工实验测试，使用220GHz固态源和PM4功率计等实验设备，实验验证了该结构的可行性。

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第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.2 模式转换器的国内外研究现状

1.3 本论文的主要工作

第二章 Vlasov辐射器的理论研究

2.1几何光学理论分析

2.2 常见Vlasov辐射器

2.3 高斯波束的传播

2.5 小结

第三章 镜面系统的理论研究

3.1 反射镜面系统

3.2 准椭圆柱面反射镜

3.3 抛物柱面镜

3.4 小结

第四章 边廊模准光模式变换器的数值模拟研究

4.1 矢量绕射理论

4.2 遮挡效应

4.3 220GHz TE52模螺旋形准光模式变换器数值模拟

4.4 215GHz-225GHz带宽分析

4.5 小结

第五章 220GHz TE10-TE01侧壁耦合模式转换器的研究

5.1 基本模型

5.2 CST优化仿真及结果

5.3 模式转换器模型加工以及实验测试

5.4 小结

第六章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果