Ku波段回旋行波管波导模式变换的研究

摘要

高功率微波因其具有高功率高能量的特点在国防与工业方面有着广阔的应用需求。高功率微波发射系统的研究包括大功率电源、前级功放、微波源、传输链路以及天线等方面。回旋管器件就是一种新型的高功率微波源,凭借其高的峰值功率、高增益等特点在雷达、电子对抗及受控热核聚变等方面有着广泛的应用。模式变换器是传输链路的主要组成部分,它可以将微波源的工作模式变换为便于长距离传输的模式或者天线可接收的电磁波模式,提高了微波能量的传输效率,在微波工程应用中作用巨大。基于高功率微波广泛的应用背景以及模式变换的重要性,本文对高功率微波源之一的回旋管器件的外接模式变换器作了深入的理论分析与仿真模拟研究。分析讨论了以 TE11模式作为中介模的完整模式变换链路,分别设计了TE0n-TE01、TE01-TE11以及TE11-HE11的模式变换器。本论文的主要工作如下:
　　1.对高功率微波技术、回旋器件、模式变换器件的历史发展、应用价值及研究现状作了系统地综述。
　　2.利用驻波展开法从麦克斯韦方程推导出了轴线弯曲及半径渐变波导的耦合波方程,给出了上述两种类型波导内模式耦合系数的表达式。研究了轴线弯曲波导及半径渐变波导内各模式间的耦合问题,讨论了不同情况下求解耦合波方程组的数值优化方法。
　　3.在半径渐变波导结构的耦合波方程基础上,编写了数值计算程序分析和优化设计Ku波段回旋管TE03-TE02、TE02-TE01模式变换器。然后将优化设计的变换器结构在CST中进行建模仿真,将仿真的结果与数值计算的结果作对比分析,验证编制程序的可靠性以及检验设计的模式变换器的性能。
　　4.分析设计了Ku波段轴线弯曲微扰结构的TE01-TE11模式变换器。运用模式耦合理论并且考虑相位重匹配法编写了此段变换的优化计算程序。分别设计了两种几何周期结构的变换器,给出了这两种周期结构变换器的优化结果并将设计的变换器通过HFSS建模仿真。根据仿真结果验证数值优化程序的可靠性。分析讨论了不同周期结构对变换效率及带宽的影响。
　　5.研究设计了Ku波段光滑壁半径渐变结构的TE11-HE11模式变换器。采用半径光滑渐变的结构避免了传统圆周开槽结构在高功率高频段下容易产生打火的缺陷。选用抛物线与正弦结合的曲线作为变换器结构轮廓,编制数值程序优化分析该结构变换器并给出了优化结构参数。将设计的变换器分别用HFSS与CST建模仿真,并将模拟仿真的结果同数值计算的结果作对比,验证数值程序的可靠性。设计了另一种采用正弦与抛物线结合曲线作为结构轮廓的TE11-HE11变换器。对比讨论了这两种不同类型结构对变换器性能的影响,发现不同函数类型曲线对变换器性能的影响很大。

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第一章 绪论

1.1 高功率微波的发展与应用

1.2 回旋管器件的发展

1.3 模式变换器的发展

1.4 论文简述

第二章 波导模式变换的理论基础

2.1 耦合波理论

2.2 弯曲波导的耦合波方程及耦合系数

2.3 半径渐变波导的耦合波方程及耦合系数

2.4 数值计算的分析方法

2.5 小结

第三章 TE0n-TE01模式变换器的设计

3.1 半径渐变的转换特性

3.2 Ku波段TE0n-TE01的研究

3.3 小结

第四章 TE01-TE11模式变换器的设计

4.1 轴线弯曲的转换特性

4.2 Ku波段TE01-TE11的研究

4.3 小结

第五章 TE11-HE11模式变换器的设计

5.1 TE11-HE11变换的特性

5.2 Ku波段抛物线与正弦函数组合TE11-HE11变换器的研究

5.3 Ku波段正弦与抛物线函数组合TE11-HE11变换器的研究

5.4 两种结构结果对比

5.5 小结

第六章 结论

6.1 本文工作总结

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果