一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法。該方法將慢波高功率微波源輸出的任意功率比例的TM01、TM02混合模式純化為單一的TM01模式，并且保持輸出功率不變。利用了相位調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)的相位調(diào)節(jié)功能和不完全模式轉(zhuǎn)換器的模式轉(zhuǎn)換功能，使得在不完全模式轉(zhuǎn)換器中TM02模式的功率相干消除而TM01模式的功率相干增長，從而實現(xiàn)模式純化。實現(xiàn)了將慢波高功率微波源輸出波導(dǎo)內(nèi)的任意功率比例的TM01、TM02混合模式純化為純化模式輸出波導(dǎo)內(nèi)的單一的TM01模式且保持輸出功率不變的目的。
【專利說明】一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及高功率微波源的輸出模式純化方法，特別是一種將慢波高功率微波源輸出的任意功率比例的ΤΜμ、TM02混合模式純化為單一的TMcu模式并保持輸出功率不變的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波通常是指脈沖峰值功率大于100MW、頻率在微波波段的電磁波。由于其具有非常高峰值功率的特點，在定向能武器、高功率雷達(dá)等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景，并在近年來得到了許多國家的廣泛關(guān)注和大量研究投入，取得了極大的技術(shù)進(jìn)步。
[0003]高功率微波源是產(chǎn)生高功率微波的核心器件。在各種高功率微波源中，慢波高功率微波源由于具有高功率、高效率、高重頻輸出的優(yōu)點而倍受重視。傳統(tǒng)的慢波高功率微波源采用單模結(jié)構(gòu)，其功率輸出波導(dǎo)內(nèi)只含有TM01模式而對TMtl2模式截止，即功率輸出波導(dǎo)的半徑Rtl與產(chǎn)生微波波長λ的關(guān)系為:0.38 λ < R0< 0.88 λ。然而，出于增強(qiáng)散熱能力或者提高功率容量的需要，近年來一些新型慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)采用了對TMtl2模式不截止而對TMtl3模式截止的過模結(jié)構(gòu)，即功率輸出波導(dǎo)的半徑Rtl與產(chǎn)生微波波長λ的關(guān)系為:0.88 λ < R0< 1.38λ。此時，由于功率輸出波導(dǎo)和束波作用區(qū)(即產(chǎn)生微波功率的區(qū)域)之間的不連續(xù)結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)以及束波作用區(qū)內(nèi)為多模契倫科夫輻射過程等原因，微波功率輸出波導(dǎo)中將同時包含有TM01、TM02模式。
[0004]慢波高功率微波源的輸出功率中同時含有TMc^TMtl2兩個模式，將給輸出功率后續(xù)的模式轉(zhuǎn)換、功率測量和天線輻射的設(shè)計造成極大的困難，因為模式轉(zhuǎn)換器、功率測量裝置和輻射天線通常都是針對單一的TM01模式設(shè)計的。因此，有必要將輸出功率中的ΤΜμ、TM02混合模式純化為單一的TMtll模式。
[0005]目前，將慢波功率微波源輸出的TMtlPTM02混合模式純化為單一的TMm模式的研究未見報道。這主要是因為該領(lǐng)域的研究重心仍在于提高輸出微波的功率、脈寬和頻率。盡管如此，國防科技大學(xué)的研究報道中曾經(jīng)指出，既能夠保持慢波高功率微波源的輸出功率不變，又能夠提高輸出功率中TMtll模式的比重的典型方法就是在功率輸出段加入維波導(dǎo)[Dian Zhang, Jun Zhang, Huihuang Zhong, Zhenxing Jin.Analysis of themode composition of an X-band overmoded 0-type Cerenkov high-power microwaveoscillator.Physics of Plasmas，2012，Vol.19，N0.103102，pp.103102-1-103102-8】:該錐波導(dǎo)將慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)的半徑由小過渡大；該錐波導(dǎo)的下游的為大半徑功率輸出波導(dǎo)；該錐波導(dǎo)上游的圓波導(dǎo)中同時含有ΤΜμ、TMci2模式，而下游的大半徑圓波導(dǎo)中同時含有ΤΜμ、TM02, TM03三個模式；調(diào)節(jié)該錐波導(dǎo)的長度和斜率，可以提高該慢波高功率微波源的輸出波導(dǎo)中TMtll模式的功率所占比重。然而，對于如何通過錐波導(dǎo)的設(shè)計使得功率輸出波導(dǎo)中只含有單一的TM01模式,該研究報道并未說明。
[0006]此外，對于模 式純化問題具有啟發(fā)意義的是，采用半徑周期式緩慢漸變的圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換器【牛新建.高功率微波傳輸線及模式變換研究.電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2003】可以將慢波高功率微波源輸出的單一的TMtl2模式完全轉(zhuǎn)化為單一的TMtll模式。然而，其所解決的問題并非將TM, TMtl2混合模式純化為單一的TMtll模式。
[0007]綜上所述，能夠?qū)⒙üβ饰⒉ㄔ摧敵龅腡Mc^TMtl2混合模式純化為單一的TMtll模式的方法有重要應(yīng)用價值，但目前尚未見研究報道。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的是提供一種模式純化方法，利用本發(fā)明可以將慢波高功率微波源輸出的任意功率比例的ΤΜμ、TMtl2混合模式純化為單一的TMtll模式，并且保持輸出功率不變。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟:
步驟一、根據(jù)慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)內(nèi)的TMtll、TM02模式的功率比例^ ,選擇慢波高功率微波源的輸出模式純化系統(tǒng)的搭建方案，具體步驟如下:
步驟1-1.確定慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)內(nèi)的TMc^TMtl2模式的功率比例*力
C =，
其中，召、P2分別為慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)8內(nèi)的ΤΜμ、TMtl2模式的功率；
步驟1-2.搭建慢波高功率微波源的輸出模式純化系統(tǒng)I及II:
當(dāng)大于等于15時,搭建由慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)端口 9順序連接相位調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)10、錐波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器11和純化模式輸出波導(dǎo)I 12構(gòu)成的純化系統(tǒng)
I；
當(dāng)*大于等于15或小于15時，搭建由慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)端口 9順序連接相位調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)10、半徑周期漸變圓波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器13和純化模式輸出波導(dǎo)II 14構(gòu)成的純化系統(tǒng)II ；
步驟二、確定上述兩種純化系統(tǒng)中的不完全模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體步驟如下: 步驟2-1.上述兩種純化系統(tǒng)中的不完全模式轉(zhuǎn)換器將TM02模式部分轉(zhuǎn)化為TMtll模式
的模式轉(zhuǎn)換系數(shù)&的幅值均為T12√1/(1+k),
其中:?為不完全模式轉(zhuǎn)化器將TMtl2模式部分轉(zhuǎn)化為TMtll模式的模式轉(zhuǎn)化系數(shù)，￡的值如步驟1-1所述；
步驟2-2.確定不完全模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其模式轉(zhuǎn)換系數(shù)&滿足步驟2-1的要求,并且功率反射小于20dB ；
錐波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器11，其上、下游半徑分別為Rtl、Rt2，軸向長度為Lt ；Rtl固定為慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)8的半徑Rtl ；Rt2大于Rtl，且Rt2與工作微波波長λ的關(guān)系為:0.88 λ < Rt2 < 1.38 λ ;Lt與工作微波波長λ的關(guān)系為Lt > 2 λ ;為實現(xiàn)步驟
2-1.所要求的T12的幅值，同時保證功率反射小于20dB，Rt2與Lt的組合通過電磁仿真軟件(如HFSS)根據(jù)以下規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計:當(dāng)Rt2固定時，Lt越大則T12的幅值越小，同時功率
反射越小；當(dāng)Lt固定時,Rt2越大則'&的幅值越大，同時功率反射越大；輸出波導(dǎo)I 12的半徑等于錐波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器11的下游半徑Rt2 ；半徑周期漸變圓波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器13的半徑R(Z)變化的規(guī)律為
【權(quán)利要求】
1.一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法，將慢波高功率微波源輸出的任意功率比例的TMc^TMtl2混合模式純化為單一的TMtll模式，并且保持輸出功率不變，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、根據(jù)慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)內(nèi)的TMtll、TM02模式的功率比例I，選擇慢波高功率微波源的輸出模式純化系統(tǒng)的搭建方案，具體步驟如下: 步驟1-1.確定慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)內(nèi)的TMc^TMtl2模式的功率比例*力 K = PxiP2， 其中，石、Pi分別為慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)8內(nèi)的ΤΜμ、TMtl2模式的功率； 步驟1-2.搭建慢波高功率微波源的輸出模式純化系統(tǒng)I及II: 當(dāng)r大于等于15時，搭建由慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)端口 9順序連接相位調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)10、錐波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器11和純化模式輸出波導(dǎo)I 12構(gòu)成的純化系統(tǒng)I ； 當(dāng)r大于等于15或小于15時，搭建由慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)端口 9順序連接相位調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)10、半徑周期漸變圓波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器13和純化模式輸出波導(dǎo)II 14構(gòu)成的純化系統(tǒng)II ； 步驟二、確定上述兩種純化系統(tǒng)中的不完全模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體步驟如下: 步驟2-1.上述兩種純化系統(tǒng)中的不完全模式轉(zhuǎn)換器將TM02模式部分轉(zhuǎn)化為TMtll模式的模式轉(zhuǎn)換系數(shù)'&的幅值均為= λ/ι + *0 , 其中:?為不完全模式轉(zhuǎn)化器將TMtl2模式部分轉(zhuǎn)化為TMtll模式的模式轉(zhuǎn)化系數(shù)，》的值如步驟1-1所述； 步驟2-2.確定不完全模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其模式轉(zhuǎn)換系數(shù)&滿足步驟2-1的要求,并且功率反射小于20dB ； 錐波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器11，其上、下游半徑分別為Rtl、Rt2，軸向長度為Lt ；Rtl固定為慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)8的半徑Rtl ；Rt2大于Rtl，且Rt2與工作微波波長λ的關(guān)系為:0.88 λ < Rt2 < 1.38 λ ；Lt與工作微波波長λ的關(guān)系為Lt > 2 λ ; 半徑周期漸變圓波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器13的半徑R(Z)變化的規(guī)律為

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法，其特征在于，當(dāng)K大于等于15時，采用錐波導(dǎo)作為不完全模式轉(zhuǎn)換器的、慢波高功率微波源的輸出模式純化系統(tǒng)I，該系統(tǒng)由慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)端口(9)順序連接相位調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)(10)、錐波導(dǎo)型不完全 模式轉(zhuǎn)換器(11)和純化模式輸出波導(dǎo)I (12)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法，其特征在于，當(dāng)K大于等于15或小于15時，采用半徑周期式漸變圓波導(dǎo)作為不完全模式轉(zhuǎn)換器的、慢波高功率微波源的輸出模式純化系統(tǒng)II，該系統(tǒng)由慢波高功率微波源的功率輸出波導(dǎo)端口(9)順序連接相位調(diào)節(jié)圓波導(dǎo)(10)、半徑周期漸變圓波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器(13)和純化模式輸出波導(dǎo)II (14)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法，其特征在于，為實現(xiàn)步驟2-1.所要求的T12的幅值，同時保證功率反射小于20dB，Rt2與Lt的組合通過電磁仿真軟件根據(jù)以下規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計:當(dāng)Rt2固定時，Lt越大則T12的幅值越小，同時功率反射越小；當(dāng)Lt固定時,Rt2越大則&的幅值越大，同時功率反射越大；輸出波導(dǎo)I 12的半徑等于錐波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器11的下游半徑Rt2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法，其特征在于，為實現(xiàn)步驟2-1.所要求的T12的幅值，同時保證功率反射小于20dB，N與ε的組合通過電磁仿真軟件根據(jù)以下規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計:當(dāng)N固定時，ε越大則T12的幅值越大，同時功率反射越大；當(dāng)ε固定時，N越大則T12的幅值越大，同時功率反射越大；輸出波導(dǎo)II 14的半徑等于半徑周期漸變圓波導(dǎo)型不完全模式轉(zhuǎn)換器13的最小半徑R。。
【文檔編號】H01P1/16GK103545579SQ201310510340
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月26日
【發(fā)明者】張軍, 張點, 鐘輝煌, 靳振興, 袁玉章 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)