一种新型同轴TEM2圆波导TE11模式变换器X - 强激光与粒子束.PDF

　第 16 卷 　第 11 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 16 ,No. 11 　 　2004 年 11 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Nov. ,2004 　 ( ) 文章编号 : 　100124322 2004 1121421204 X 一种新型同轴 TEM2圆波导 TE 模式变换器 11 1 2 刘庆想 , 　袁成卫 ( 1. 西南交通大学 理学院, 四川 成都 610031 ; 　2 . 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073) 　　摘 　要 : 　提出了一种新型同轴插板式模式变换器 ,可以实现同轴 TEM 到圆波导 TE11模式的变换。介绍 了这种模式变换器的工作原理:即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板 ,将同轴 TEM 模变换成扇形截面波导 TE11模 ,进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性 ,在同轴波导中形成同轴 TE11模 ,最后 将同轴 TE11模转换为圆波导 TE11模式。基于这一原理设计了一个中心频率为 3. 8GHz 的同轴 TEM2圆波导 TE11 模式变换器 ,并进行了数值模拟。模拟结果表明 :这种模式变换器可以承受高功率 , 中心频率上转换效率为 98. 5 % ,转换效率大于 90 %的带宽超过 10 % ,在 3. 5～4. 1GHz 的频率范围内反射损耗低于0. 3dB 。 　　关键词 : 　模式变换器 ; 　高功率微波 ; 　同轴波导 ; 　圆波导 　　中图分类号 : 　TN811 ;TN814 　　　　文献标识码 : 　A 　　多数高功率微波源具有旋转对称结构 ,它们产生的模式多是旋转轴对称模。如轴向提取的虚阴极振荡器、 相对论返波管、锥形慢波结构发生器等产生圆波导 TM01 模 ,渡越管、磁绝缘线振荡器、相对论速调管等采用同 轴结构提取微波的器件则输出同轴 TEM 模。无论是同轴 TEM 模还是圆波导 TM01 模 , 由于其输出端口的口径 场分布都具有旋转对称性 ,将导致轴向为零的环状远场方向图 ,不利于高功率微波的定向传输与发射。为了实 现定向辐射 ,通常要将圆波导 TM01模和同轴 TEM 模变换为圆波导 TE11模 ,其中同轴 TEM 模要先变换为圆波导 TM01模式 ,再实现从 TM01 到 TE11 的变换。当前 ,被广泛采用的高功率微波模式变换器有两种 :一是将开口圆波 导斜切的 Vlasov 模式变换器[1 ,2 ] ;另一种是双弯型圆波导模式变换器[3 ,4 ] , 即一个弯曲波导与另一个同直径、曲 率方向相反的圆波导相切连接。第一种模式变换器将圆波导 TM01 模式变为具有一定方向性的准高斯模 ,具有 结构简单的优点 ,但其辐射方向偏离波导轴线 ,即输入输出不共轴;第二种双弯型波导模式变换器可以高效地 实现圆波导 TM012TE11模式变换 ,但加工困难 , 同时也存在输入输出不共轴的问题。由于输入输出不共轴 ,使得 上述两种模式转换器在某些特殊情况下使用受限 ,模式转换与控制是高功率微波领域的一项重要研究内容之 一 ,人们一直在探索新型模式变换器[5 ,6 ] 。 　　本文给出一种同轴插板式模式变换器 ,该模式变换器可以实现同轴 TEM 到圆波导 TE11 的模式变换 ,且输 入、输出共轴。而对于圆波导 TM01模式 ,则可以用简单的结构先将 TM01 模变为同轴 TEM 模 ,再实现从 TEM 到