变态共焦波导输入耦合结构的设计与仿真.pdfVIP

变态共焦波导输入耦合结构的设计与仿真 蒋艺 雷文强 马国武 胡鹏 陈洪斌 中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳，621900 摘要：随着回旋管放大器工作频率的提高，特别是到了太赫兹频段以后，回旋管技术的发展面临着越来 越多的挑战，模式变换器便是其中非常重要的核心部件之一。因此，研究稳定可靠工作的模式变换器对 回旋管的研制具有重要意义。本文针对0．14THz回旋行波管设计出了TEll．既06模式的变态共焦波导输 入耦合结构，实现了输入信号从圆波导的TEll模式到共焦波导结构的HE06模式的变换，利用微波工作 室，对变态共焦波导输入耦合结构进行了设计和优化仿真，实现了输入信号50％以上的转换效率的带 宽为3GHz以上，为以后制作宽带回旋管放大器奠定了基础。 关键词：太赫兹，回旋行波管，共焦波导，模式变换，输入耦合 随着回旋管放大器工作频率的提高，特别是到了太赫兹频段以后，回旋管技术的发展面临着越来越 多的挑战：首先，为了能在太赫兹范围产生高的输出功率，回旋管通常工作在波导的高次模式，这就需 要有相应的模式变换器将基模转换到所需要的高次模，并使高次模能与电子注发生有效的互作用；其次， 采用高次模工作的回旋管不可避免的存在着工作模式和其它模式之间的模式竞争问题，造成回旋管放大 器工作的不稳定性、降低了互作用效率，模式竞争问题一直是限制回旋管技术发展的重要因素。因此， 研究稳定可靠工作的模式变换器对回旋管的研制具有重要意义【l。3J。 本文针对0．14THz回旋行波管设计出了TEll-HE06模式的变态共焦波导输入耦合结构，实现了输入 信号从圆波导的TE。。模式到共焦波导结构的HE06模式的变换，利用微波工作室，对变态共焦波导输入 耦合结构进行了设计和优化仿真。 1模式变换的理论分析 模式变换器这个概念比较广泛，它包含一切能够实现模式变换的器件。波导模式变换，便是常用的 模式变换器件中的一大类。在回旋管的应用中，一般采取矩形，圆形和同轴波导波导模式的情况比较多， 对应其输入输出的模式间的差别，需要就行设计完成模式的变换…。 而变态共焦波导输入耦合结构是从圆波导输入的微波信号直接耦合输入到共焦波导结构中，则共焦 波导此时可以看做是一个开放式谐振腔，输入的微波信号在这个谐振腔中激起回旋管的工作模式的电磁 场[46】。这种方法可以采用小孔耦合理论来进行分析，将小孔等效为电偶极子和磁偶极子的组合【6】。 输出 截止段 ] ! 图l输入耦合示意图 电偶极子的偶极矩正比于入射波在小孔处的法相电场豆。，而磁偶极子的偶极矩则正比于入射波在 小孔处的切向磁场百lr，它们同时都与小孔的形状和尺寸有关：电偶极矩声：一‰p。巨。，磁偶极矩 厨：m，詹。，+m，／-7。，，其中P。为法相电极化率；m，，m，为两个正交的切向的磁极化率。 当小孔为圆形时，各分量为m，=4r3／3，聊，，=4rj／3，pn=2r2／3 利用归一化场分量，就可以求出主波导中的模式场通过小孔在副波导中激励起的波的相对幅值，即 耦合强度。 a1=一／等∞。M一．H一2，一声．豆2。)=一／等0。m，nl。n2，+∥。聊，Hl，H2，+SoP。E1。E2。) 其中国为场的角频率，∥。，占。为真空中的磁导率和电导率，H。，日。分别是主波导中的模式场 的x和Y方向上的磁场幅值分量，H，，，日。分别是副波导中的模式场的x和Y方向上的磁场幅值分 量，E，。，E，。分别为主波导和副波导中的模式场的法相电场幅值分量。 279 2数值模拟与分析 为了实现输入信号从圆波导的TE。。模式到共焦波导结构的HE06模式的变换，采用了变态共焦波导 输入耦合结构(如图3)。在进行变态共焦波导输入耦合结构优化设计时，发现由于高频结构己定，输 入耦合结构的副波导的输出一侧的结构尺寸便不可更改，只能修改另一侧截止段的尺寸。下面就变态共 焦波导输入耦合结构几个敏感参数进行仿真模拟和分析。 图2耻06模式的场分布图 图3变态共焦波导输入耦合结构的模型 图4 TEll模式的场分布图 当改变截止段的尺寸大小时，发现当截止段半径r1为2．8mm时为最