94 GHz TE02模回旋管Vlasov 模式变换器的设计与模拟
该文研究并设计了一个由Vlasov 阶梯型开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器组成的TE02模回旋管准光模式变换器。首先采用几何光学研究了阶梯型开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器的具体形状, 再利用矢量绕射理论分析了其工作过程, 最后结合94 GHz TE02模回旋管的具体参数, 编写仿真程序详细讨论了工作模式在此模式变换器中的变换过程。模拟结果表明, 94 GHz 回旋管中的TE02模在输出窗处被转换为能量集中的准高斯波束, 转换效率为78.35%。
回旋管是一类以电子回旋脉塞( Electron Cyclotron Maser, ECM) 为机理而发展起来的快波器件[1] , 它填补了传统微波管( 如行波管、速调管等) 和激光器在毫米和亚毫米波段的缺口[2-3] , 因而在受控热核聚变的等离子体加热、高能粒子加速器、毫米波定向能武器、材料处理及等离子体化学等领域被广泛应用[4-6] 。
随着回旋管向着高频率、高功率发展, 其工作模式大多采用低损耗的高阶腔体模式, 而高阶腔体模式由于在传输过程中存在严重的衍射和极化损耗,实际上并不适合于自由空间的传输, 必需将其转换为利于传输的低阶波导模式或自由空间的高斯波束。采用传统的波导模式变换器进行模式降阶变换时, 变换器的尺寸巨大, 加工困难, 且模式竞争和损耗严重, 实际上并不可行。因此, 一般采用准光模式变换器( Quasi Optical Mode Converter) 来实现高阶模式向低阶模式的高效转换。俄罗斯科学家Vlasov等[ 7]首先提出的准光天线, 后发展成为Vlasov 型准光模式变换器, 不仅结构简单、紧凑而且有效, 因此很快被广泛运用到高功率微波领域。
目前, 综合设计合理的准光模式变换器已成为国际上大功率级别回旋管研究领域的热点问题[8-12] 。由于我国在高频率高功率回旋管的研制方面与国际先进水平差距较大, 国内对大功率级别回旋管横向准光输出的研究无论是在理论还是实验方面都处于探索阶段[13-14] , 正是如此, 结合本实验室具体管型详细设计和分析准光模式变换器具有很强的现实意义。
本文将研究和设计一个适用于圆电模回旋管准光输出的Vlasov 型准光模式变换器。首先, 采用几何光学研究并设计Vlasov 开口辐射器和二级曲面反射器( 由椭圆面反射器和抛物面反射器组成) , 再利用矢量绕射理论分析此模式变换器的工作过程, 最后通过编写计算仿真程序模拟94 GHz TE02模回旋管具体参数下此模式变换器的工作, 并讨论其输出结果。
1 、圆电模回旋管Vlasov 模式变换器的理论
如图1 所示, 本文研究的圆电模回旋管Vlasov型准光模式变换器由Vlasov 阶梯型(SteppedCut) 开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器组成。由于工作在高阶腔体模式下的回旋管其腔体尺寸和开口辐射器切割长度都远远大于其工作波长, 因此采用几何光学理论研究Vlasov 准光模式变换器的机理并指导设计能够保证精度要求。
图1 圆电模Vlasov 模式变换器结构示意图
4 、结论
准光模式变换器能将回旋管内工作的高阶腔体模式转换为利于自由空间传输的线极化低阶波导模式或自由空间高斯模式, 且其结构简单、紧凑高效,被广泛地用于大功率级别回旋管中。Vlasov 模式变换器作为准光模式变换器的一种主要类型, 在高功率微波领域受到广泛关注。本文详细研究并设计了一个由Vlasov 阶梯型开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器组成的Vlasov 型准光模式变换器。首先采用几何光学导出了Vlasov 阶梯型开口辐射器和曲面反射器理论, 再利用矢量绕射理论分析了此变换器的工作过程, 通过编写MATLAB 计算仿真程序系统设计和分析了工作频率为94 GHz, 工作模式为TE02模的W 波段回旋管的Vlasov 模式变换器。模拟结果表明, 94 GHz 回旋管内的工作模式TE02圆电模被Vlasov 模式变换器逐渐变换, 在输出窗处被变换为能量集中且场型较好的准高斯波束, 束腰为11.9mm ∃ 11.2 mm, 转换效率为78.35%。此工作将为研制W 波段圆电模回旋管的准光输出提供理论和设计方面的参考。由于本模型中没有考虑目前比较主流的相位校正曲面反射器, 输出高斯波束场型仍未达到最佳, 添加相位校正曲面反射器优化高斯波束将是下一阶段研究的重点。
