94 GHz TE02�；匦�管Vlasov 模式變換器的設計與模擬

　　該文研究并設計了一個(gè)由Vlasov 階梯型開(kāi)口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器組成的TE02�；匦�管準光模式變換器。首先采用幾何光學(xué)研究了階梯型開(kāi)口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器的具體形狀, 再利用矢量繞射理論分析了其工作過(guò)程, 最后結合94 GHz TE02�；匦�管的具體參數, 編寫(xiě)仿真程序詳細討論了工作模式在此模式變換器中的變換過(guò)程。模擬結果表明, 94 GHz 回旋管中的TE02模在輸出窗處被轉換為能量集中的準高斯波束, 轉換效率為78.35%。

　　回旋管是一類(lèi)以電子回旋脈塞( Electron Cyclotron Maser, ECM) 為機理而發(fā)展起來(lái)的快波器件[1] , 它填補了傳統微波管( 如行波管、速調管等) 和激光器在毫米和亞毫米波段的缺口[2-3] , 因而在受控熱核聚變的等離子體加熱、高能粒子加速器、毫米波定向能武器、材料處理及等離子體化學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應用[4-6] 。

　　隨著(zhù)回旋管向著(zhù)高頻率、高功率發(fā)展, 其工作模式大多采用低損耗的高階腔體模式, 而高階腔體模式由于在傳輸過(guò)程中存在嚴重的衍射和極化損耗,實(shí)際上并不適合于自由空間的傳輸, 必需將其轉換為利于傳輸的低階波導模式或自由空間的高斯波束。采用傳統的波導模式變換器進(jìn)行模式降階變換時(shí), 變換器的尺寸巨大, 加工困難, 且模式競爭和損耗嚴重, 實(shí)際上并不可行。因此, 一般采用準光模式變換器( Quasi Optical Mode Converter) 來(lái)實(shí)現高階模式向低階模式的高效轉換。俄羅斯科學(xué)家Vlasov等[ 7]首先提出的準光天線(xiàn), 后發(fā)展成為Vlasov 型準光模式變換器, 不僅結構簡(jiǎn)單、緊湊而且有效, 因此很快被廣泛運用到高功率微波領(lǐng)域。

　　目前, 綜合設計合理的準光模式變換器已成為國際上大功率級別回旋管研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[8-12] 。由于我國在高頻率高功率回旋管的研制方面與國際先進(jìn)水平差距較大, 國內對大功率級別回旋管橫向準光輸出的研究無(wú)論是在理論還是實(shí)驗方面都處于探索階段[13-14] , 正是如此, 結合本實(shí)驗室具體管型詳細設計和分析準光模式變換器具有很強的現實(shí)意義。

　　本文將研究和設計一個(gè)適用于圓電�；匦�管準光輸出的Vlasov 型準光模式變換器。首先, 采用幾何光學(xué)研究并設計Vlasov 開(kāi)口輻射器和二級曲面反射器( 由橢圓面反射器和拋物面反射器組成) , 再利用矢量繞射理論分析此模式變換器的工作過(guò)程, 最后通過(guò)編寫(xiě)計算仿真程序模擬94 GHz TE02�；匦�管具體參數下此模式變換器的工作, 并討論其輸出結果。

1 、圓電�；匦�管Vlasov 模式變換器的理論

　　如圖1 所示, 本文研究的圓電�；匦�管Vlasov型準光模式變換器由Vlasov 階梯型(SteppedCut) 開(kāi)口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器組成。由于工作在高階腔體模式下的回旋管其腔體尺寸和開(kāi)口輻射器切割長(cháng)度都遠遠大于其工作波長(cháng), 因此采用幾何光學(xué)理論研究Vlasov 準光模式變換器的機理并指導設計能夠保證精度要求。

圖1 圓電模Vlasov 模式變換器結構示意圖

4 、結論

　　準光模式變換器能將回旋管內工作的高階腔體模式轉換為利于自由空間傳輸的線(xiàn)極化低階波導模式或自由空間高斯模式, 且其結構簡(jiǎn)單、緊湊高效,被廣泛地用于大功率級別回旋管中。Vlasov 模式變換器作為準光模式變換器的一種主要類(lèi)型, 在高功率微波領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。本文詳細研究并設計了一個(gè)由Vlasov 階梯型開(kāi)口輻射器、橢圓面反射器和拋物面反射器組成的Vlasov 型準光模式變換器。首先采用幾何光學(xué)導出了Vlasov 階梯型開(kāi)口輻射器和曲面反射器理論, 再利用矢量繞射理論分析了此變換器的工作過(guò)程, 通過(guò)編寫(xiě)MATLAB 計算仿真程序系統設計和分析了工作頻率為94 GHz, 工作模式為T(mén)E02模的W 波段回旋管的Vlasov 模式變換器。模擬結果表明, 94 GHz 回旋管內的工作模式TE02圓電模被Vlasov 模式變換器逐漸變換, 在輸出窗處被變換為能量集中且場(chǎng)型較好的準高斯波束, 束腰為11.9mm ∃ 11.2 mm, 轉換效率為78.35%。此工作將為研制W 波段圓電�；匦�管的準光輸出提供理論和設計方面的參考。由于本模型中沒(méi)有考慮目前比較主流的相位校正曲面反射器, 輸出高斯波束場(chǎng)型仍未達到最佳, 添加相位校正曲面反射器優(yōu)化高斯波束將是下一階段研究的重點(diǎn)。