220GHz高功率准光模式变换技术研究

摘要

回旋管作为一种十分重要的高功率毫米波亚毫米波源，一直受到广泛重视。在回旋管器件中工作模式通常为低损耗的高阶腔体模式，为了实现应用，必须将其转换成适合自由空间传播的线性极化的基模高斯束（00TEM模）。但在高频段，传统的波导型模式变换器由波导内径过小，加工难度大，并且难与回旋管组装，因此采用准光模式变换器是一条非常有效的途径。本文针对中心频率为220GHz、03TE模工作的回旋管需要设计了一种准光模式变换器，是由Vlasov辐射器、准椭圆柱面镜和抛物柱面镜构成。
　　本文采用几何光学理论和矢量绕射理论相结合的方法对准光模式变换器进行了系统分析和研究，利用MATLAB编程软件设计和编写了准光模式变换器的数值计算分析程序。首先对Vlasov辐射器进行研究：采用切口面上的功率指标优化了阶梯形Vlasov辐射器的切口长度；研究了斜切角度对斜切形Vlasov辐射器的辐射特性的影响；对阶梯形Vlasov辐射器和斜切形Vlasov辐射器的辐射特性进行了比较分析；并将阶梯形Vlasov辐射的数值计算结果和CST仿真模拟结果进行对比验证分析，两者的结果基本一致，证明了理论分析方法和设计方法的正确性。
　　对准光模式变换器的镜面系统，首先采用几何光学法分析准椭圆柱面反射镜和抛物柱面反射镜，并得到相关模型设计参量，然后在矢量绕射理论的基础上编写准光模式变换器（包括阶梯形Vlasov辐射器、准椭圆柱面反射镜和抛物柱面反射镜两级反射镜）的数值计算分析程序。设计的中心频率为220GHz、半径为5mm、工作模式为03TE模的准光模式变换器，在输出窗口处将输出的高斯波束与标准的基模高斯束（00TEM模）进行比较分析，计算得到高斯含量为95.23％，功率转换效率为70.09%，束腰半径为7mm。并且分析发现设计的准光模式变换器当工作在215GHz与225GHz两个频点上时，它们在输出窗口上高斯波束的电场分布特性与工作在220GHz时基本一致，说明设计的中心频率为220GHz的准光模式变换器在215GHz-225GHz频段内都具有稳定的模式变换能力。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 模式变换技术的国内外研究动态

1.3 本学位论文的主要工作

第二章 Vlasov辐射器的基本理论研究

2.1 圆柱波导中传播模式的几何光学理论分析

2.2 Vlasov辐射器的物理模型

2.3 高斯波束基本理论

2.4 小结

第三章 Vlasov辐射器理论分析与模拟研究

3.1 矢量绕射理论基础

3.2 矢量公式在直角坐标系下的标量化

3.3 辐射功率密度和增益

3.4 Vlasov辐射器数值和仿真结果分析

3.5 小结

第四章 Vlasov天线的设计与仿真

4.1 镜面系统构成

4.2 准椭圆柱面反射镜

4.3 高斯成分

4.4 数值模拟计算结果与分析

4.5 小结

第五章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果