一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法
【专利摘要】本发明提供了一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法。该方法将慢波高功率微波源输出的任意功率比例的TM01、TM02混合模式纯化为单一的TM01模式，并且保持输出功率不变。利用了相位调节圆波导的相位调节功能和不完全模式转换器的模式转换功能，使得在不完全模式转换器中TM02模式的功率相干消除而TM01模式的功率相干增长，从而实现模式纯化。实现了将慢波高功率微波源输出波导内的任意功率比例的TM01、TM02混合模式纯化为纯化模式输出波导内的单一的TM01模式且保持输出功率不变的目的。
【专利说明】一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高功率微波【技术领域】，涉及高功率微波源的输出模式纯化方法，特别是一种将慢波高功率微波源输出的任意功率比例的ΤΜμ、TM02混合模式纯化为单一的TMcu模式并保持输出功率不变的方法。
【背景技术】
[0002]高功率微波通常是指脉冲峰值功率大于100MW、频率在微波波段的电磁波。由于其具有非常高峰值功率的特点，在定向能武器、高功率雷达等领域有着非常重要的应用前景，并在近年来得到了许多国家的广泛关注和大量研究投入，取得了极大的技术进步。
[0003]高功率微波源是产生高功率微波的核心器件。在各种高功率微波源中，慢波高功率微波源由于具有高功率、高效率、高重频输出的优点而倍受重视。传统的慢波高功率微波源采用单模结构，其功率输出波导内只含有TM01模式而对TMtl2模式截止，即功率输出波导的半径Rtl与产生微波波长λ的关系为:0.38 λ < R0< 0.88 λ。然而，出于增强散热能力或者提高功率容量的需要，近年来一些新型慢波高功率微波源的功率输出波导采用了对TMtl2模式不截止而对TMtl3模式截止的过模结构，即功率输出波导的半径Rtl与产生微波波长λ的关系为:0.88 λ < R0< 1.38λ。此时，由于功率输出波导和束波作用区(即产生微波功率的区域)之间的不连续结构的模式转换效应以及束波作用区内为多模契伦科夫辐射过程等原因，微波功率输出波导中将同时包含有TM01、TM02模式。
[0004]慢波高功率微波源的输出功率中同时含有TMc^TMtl2两个模式，将给输出功率后续的模式转换、功率测量和天线辐射的设计造成极大的困难，因为模式转换器、功率测量装置和辐射天线通常都是针对单一的TM01模式设计的。因此，有必要将输出功率中的ΤΜμ、TM02混合模式纯化为单一的TMtll模式。
[0005]目前，将慢波功率微波源输出的TMtlPTM02混合模式纯化为单一的TMm模式的研究未见报道。这主要是因为该领域的研究重心仍在于提高输出微波的功率、脉宽和频率。尽管如此，国防科技大学的研究报道中曾经指出，既能够保持慢波高功率微波源的输出功率不变，又能够提高输出功率中TMtll模式的比重的典型方法就是在功率输出段加入维波导[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】:该锥波导将慢波高功率微波源的功率输出波导的半径由小过渡大；该锥波导的下游的为大半径功率输出波导；该锥波导上游的圆波导中同时含有ΤΜμ、TMci2模式，而下游的大半径圆波导中同时含有ΤΜμ、TM02, TM03三个模式；调节该锥波导的长度和斜率，可以提高该慢波高功率微波源的输出波导中TMtll模式的功率所占比重。然而，对于如何通过锥波导的设计使得功率输出波导中只含有单一的TM01模式,该研究报道并未说明。
[0006]此外，对于模 式纯化问题具有启发意义的是，采用半径周期式缓慢渐变的圆波导结构的模式转换器【牛新建.高功率微波传输线及模式变换研究.电子科技大学博士学位论文，2003】可以将慢波高功率微波源输出的单一的TMtl2模式完全转化为单一的TMtll模式。然而，其所解决的问题并非将TM, TMtl2混合模式纯化为单一的TMtll模式。
[0007]综上所述，能够将慢波功率微波源输出的TMc^TMtl2混合模式纯化为单一的TMtll模式的方法有重要应用价值，但目前尚未见研究报道。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种模式纯化方法，利用本发明可以将慢波高功率微波源输出的任意功率比例的ΤΜμ、TMtl2混合模式纯化为单一的TMtll模式，并且保持输出功率不变。
[0009]本发明的技术方案包括以下步骤:
步骤一、根据慢波高功率微波源的功率输出波导内的TMtll、TM02模式的功率比例^ ,选择慢波高功率微波源的输出模式纯化系统的搭建方案，具体步骤如下:
步骤1-1.确定慢波高功率微波源的功率输出波导内的TMc^TMtl2模式的功率比例*力
C =，
其中，召、P2分别为慢波高功率微波源的功率输出波导8内的ΤΜμ、TMtl2模式的功率；
步骤1-2.搭建慢波高功率微波源的输出模式纯化系统I及II:
当大于等于15时,搭建由慢波高功率微波源的功率输出波导端口 9顺序连接相位调节圆波导10、锥波导型不完全模式转换器11和纯化模式输出波导I 12构成的纯化系统
I；
当*大于等于15或小于15时，搭建由慢波高功率微波源的功率输出波导端口 9顺序连接相位调节圆波导10、半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器13和纯化模式输出波导II 14构成的纯化系统II ；
步骤二、确定上述两种纯化系统中的不完全模式转换器的结构参数，具体步骤如下: 步骤2-1.上述两种纯化系统中的不完全模式转换器将TM02模式部分转化为TMtll模式
的模式转换系数&的幅值均为T12√1/(1+k),
其中:?为不完全模式转化器将TMtl2模式部分转化为TMtll模式的模式转化系数，￡的值如步骤1-1所述；
步骤2-2.确定不完全模式转换器的结构参数，使其模式转换系数&满足步骤2-1的要求,并且功率反射小于20dB ；
锥波导型不完全模式转换器11，其上、下游半径分别为Rtl、Rt2，轴向长度为Lt ；Rtl固定为慢波高功率微波源的功率输出波导8的半径Rtl ；Rt2大于Rtl，且Rt2与工作微波波长λ的关系为:0.88 λ < Rt2 < 1.38 λ ;Lt与工作微波波长λ的关系为Lt > 2 λ ;为实现步骤
2-1.所要求的T12的幅值，同时保证功率反射小于20dB，Rt2与Lt的组合通过电磁仿真软件(如HFSS)根据以下规律进行优化设计:当Rt2固定时，Lt越大则T12的幅值越小，同时功率
反射越小；当Lt固定时,Rt2越大则'&的幅值越大，同时功率反射越大；输出波导I 12的半径等于锥波导型不完全模式转换器11的下游半径Rt2 ；半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器13的半径R(Z)变化的规律为
【权利要求】
1.一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法，将慢波高功率微波源输出的任意功率比例的TMc^TMtl2混合模式纯化为单一的TMtll模式，并且保持输出功率不变，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、根据慢波高功率微波源的功率输出波导内的TMtll、TM02模式的功率比例I，选择慢波高功率微波源的输出模式纯化系统的搭建方案，具体步骤如下: 步骤1-1.确定慢波高功率微波源的功率输出波导内的TMc^TMtl2模式的功率比例*力 K = PxiP2， 其中，石、Pi分别为慢波高功率微波源的功率输出波导8内的ΤΜμ、TMtl2模式的功率； 步骤1-2.搭建慢波高功率微波源的输出模式纯化系统I及II: 当r大于等于15时，搭建由慢波高功率微波源的功率输出波导端口 9顺序连接相位调节圆波导10、锥波导型不完全模式转换器11和纯化模式输出波导I 12构成的纯化系统I ； 当r大于等于15或小于15时，搭建由慢波高功率微波源的功率输出波导端口 9顺序连接相位调节圆波导10、半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器13和纯化模式输出波导II 14构成的纯化系统II ； 步骤二、确定上述两种纯化系统中的不完全模式转换器的结构参数，具体步骤如下: 步骤2-1.上述两种纯化系统中的不完全模式转换器将TM02模式部分转化为TMtll模式的模式转换系数'&的幅值均为= λ/ι + *0 , 其中:?为不完全模式转化器将TMtl2模式部分转化为TMtll模式的模式转化系数，》的值如步骤1-1所述； 步骤2-2.确定不完全模式转换器的结构参数，使其模式转换系数&满足步骤2-1的要求,并且功率反射小于20dB ； 锥波导型不完全模式转换器11，其上、下游半径分别为Rtl、Rt2，轴向长度为Lt ；Rtl固定为慢波高功率微波源的功率输出波导8的半径Rtl ；Rt2大于Rtl，且Rt2与工作微波波长λ的关系为:0.88 λ < Rt2 < 1.38 λ ；Lt与工作微波波长λ的关系为Lt > 2 λ ; 半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器13的半径R(Z)变化的规律为
2.根据权利要求1所述的一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法，其特征在于，当K大于等于15时，采用锥波导作为不完全模式转换器的、慢波高功率微波源的输出模式纯化系统I，该系统由慢波高功率微波源的功率输出波导端口(9)顺序连接相位调节圆波导(10)、锥波导型不完全 模式转换器(11)和纯化模式输出波导I (12)构成。
3.根据权利要求1所述的一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法，其特征在于，当K大于等于15或小于15时，采用半径周期式渐变圆波导作为不完全模式转换器的、慢波高功率微波源的输出模式纯化系统II，该系统由慢波高功率微波源的功率输出波导端口(9)顺序连接相位调节圆波导(10)、半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器(13)和纯化模式输出波导II (14)构成。
4.根据权利要求1所述的一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法，其特征在于，为实现步骤2-1.所要求的T12的幅值，同时保证功率反射小于20dB，Rt2与Lt的组合通过电磁仿真软件根据以下规律进行优化设计:当Rt2固定时，Lt越大则T12的幅值越小，同时功率反射越小；当Lt固定时,Rt2越大则&的幅值越大，同时功率反射越大；输出波导I 12的半径等于锥波导型不完全模式转换器11的下游半径Rt2。
5.根据权利要求1所述的一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法，其特征在于，为实现步骤2-1.所要求的T12的幅值，同时保证功率反射小于20dB，N与ε的组合通过电磁仿真软件根据以下规律进行优化设计:当N固定时，ε越大则T12的幅值越大，同时功率反射越大；当ε固定时，N越大则T12的幅值越大，同时功率反射越大；输出波导II 14的半径等于半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器13的最小半径R。。
【文档编号】H01P1/16GK103545579SQ201310510340
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月26日 优先权日:2013年10月26日
【发明者】张军, 张点, 钟辉煌, 靳振兴, 袁玉章 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学