高功率微波傳輸線及模式變換分析

郜 錚

（山西廣播電視無線管理中心428臺(tái)，山西 汾陽 032200）

1 模式變換系統(tǒng)的特征

1.1 波耦合特征

在高功率微波系統(tǒng)中，各波型之間常常會(huì)出現(xiàn)耦合現(xiàn)象。結(jié)合既往經(jīng)驗(yàn)可知，單一波導(dǎo)系統(tǒng)中，各波型間的耦合較為強(qiáng)烈。在耦合期間，受圓波導(dǎo)大曲率轉(zhuǎn)彎因素的影響，簡并波功率、圓電波功率的轉(zhuǎn)換機(jī)制會(huì)受到一定影響，即出現(xiàn)部分轉(zhuǎn)換或全部發(fā)生轉(zhuǎn)換。

高功率微波系統(tǒng)中耦合模式的發(fā)生功率，主要受到以下幾種因素的影響：第一，相位常數(shù)差因素。在微波系統(tǒng)中，2個(gè)耦合模式間的相位常數(shù)差參數(shù)與耦合引發(fā)的功率轉(zhuǎn)換幅度（耦合能力）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著相位常數(shù)差參數(shù)的降低，2耦合模式間的功率轉(zhuǎn)換越大，同時(shí)，系統(tǒng)的耦合能力也越大。第二，耦合系數(shù)因素。耦合系數(shù)則與耦合波型的功率轉(zhuǎn)換效率呈正相關(guān)關(guān)系。

1.2 耦合模式的空間同步特征

在波導(dǎo)系統(tǒng)中，2個(gè)耦合模式的傳輸具有典型空間同步特征，即二者符合相速相等規(guī)律。在這一模式下，隨著耦合模式間的不斷轉(zhuǎn)換，持續(xù)轉(zhuǎn)換形成的迭加狀態(tài)，促使高功率微波系統(tǒng)中產(chǎn)生最大功率轉(zhuǎn)換。

1.3 全轉(zhuǎn)換特征

在高功率微波系統(tǒng)中，相對(duì)于部分轉(zhuǎn)換而言，全轉(zhuǎn)換更加常見。這種轉(zhuǎn)換模式的特征為：系統(tǒng)中1種波型的功率全部轉(zhuǎn)換成相同波導(dǎo)或另一波導(dǎo)中的其他波型功率。從全轉(zhuǎn)換的發(fā)生條件來看，確保2種波型間的功率轉(zhuǎn)換為全轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)條件為：二者間的耦合能力達(dá)到最大值。

2 半徑漸變波導(dǎo)模式的微波傳輸線及模式變換

2.1 TE0n-TE01方面

在半徑漸變波導(dǎo)模式下，回旋管的波導(dǎo)變形需滿足如下特征：第一，低損耗特征?？紤]到高功率微波系統(tǒng)的正常運(yùn)行要求，回旋管的半徑漸變波導(dǎo)變形，需確保變形過程中產(chǎn)生的損耗符合低損耗要求。第二，線極化膜HE11轉(zhuǎn)換特征。該波導(dǎo)的變形目的為：從原模式轉(zhuǎn)換為線極化膜HE11?；谏鲜鲂枰?，回旋管的輸出模式TE0n，需通過轉(zhuǎn)換調(diào)整為圓對(duì)稱模TE01。

為確定該波導(dǎo)變形對(duì)波傳輸、模式變換的影響，可分別運(yùn)用多種方法，開展高效轉(zhuǎn)換分析。第一，過模圓波導(dǎo)半徑突變法。將該方法代入半徑漸變波導(dǎo)模式中，在TE0m向TE0n的轉(zhuǎn)換中，以過模圓波導(dǎo)半徑突變法完成高效轉(zhuǎn)換的前提為：N值較大，能夠達(dá)到抑制轉(zhuǎn)換過程中寄生模式功率的要求。但隨著模式變換器N值的增加，高功率微波系統(tǒng)的帶寬容易受到一定限制。由此可認(rèn)為，采用該方法無法滿足模式轉(zhuǎn)換要求。第二，基于寄生模式影響的幾何結(jié)構(gòu)合理選擇法。在評(píng)估波導(dǎo)變形對(duì)波傳輸?shù)挠绊憰r(shí)，可參照波型轉(zhuǎn)換流程，確定幾何微擾周期的最佳N值影響因素，即受帶寬要求、寄生模式限制以及模式轉(zhuǎn)換效率提升要求的影響。通過對(duì)波型轉(zhuǎn)換機(jī)制的分析可知，寄生模式轉(zhuǎn)換功率、效率與波動(dòng)幅度間的關(guān)聯(lián)為：隨著波動(dòng)幅度的增長，寄生模式轉(zhuǎn)換效率、轉(zhuǎn)換功率均隨之增加?；谏鲜鰲l件，在進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換期間，需在充分考慮寄生模式形成影響作用的基礎(chǔ)上，合理選擇模式轉(zhuǎn)換器所對(duì)應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)。在TE0m-TE0n轉(zhuǎn)換中，可將幾何周期數(shù)確定為3個(gè)。這種轉(zhuǎn)換模式既考慮例寄生模式產(chǎn)生的影響作用，同時(shí)，適宜的幾何結(jié)構(gòu)，還可對(duì)寄生模式形成良好抑制，進(jìn)而確保TE0m-TE0n間的高效轉(zhuǎn)換。

2.2 TM0n-TM01-TE11方面

在半徑漸變波導(dǎo)模式中，以相對(duì)論反波管（BWO）、虛陰極振蕩器（VCO）等為代表的高功率毫米波源通常采用TM01模式或TM0n混合模。這類毫米波源的外接波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器所對(duì)應(yīng)的變換序列為：TM0n（高功率微波源）-TM01（低損耗）-TE11-HE11（天線）。該序列中的關(guān)鍵為TM01-TE11。結(jié)合既往經(jīng)驗(yàn)來看，這種毫米波源TM01與TE11之間的拍波波長較長。在這種特殊條件下，如直接選用波導(dǎo)軸線微擾法進(jìn)行耦合，則難以于較少波長范圍內(nèi)達(dá)到高效轉(zhuǎn)換要求[1]。為保障轉(zhuǎn)換效率，可將TM11作為轉(zhuǎn)換序列中的中介計(jì)劃模，借助Tm01-Tm11-TE11這一轉(zhuǎn)換序列，實(shí)現(xiàn)毫米波源中TM01-TE11的模式變化，并達(dá)到縮短變換器長度的要求。相對(duì)于其他轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)而言，上述轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：在波傳輸過程中，輸出模極化方向的轉(zhuǎn)變便捷性較強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理調(diào)整。

2.3 模擬分析方面

針對(duì)TE0n-TE01、TE0n-TE01-TE11的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)開展模擬分析，分析結(jié)果表明：第一，相位重匹配技術(shù)優(yōu)選。在波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換中，可按照維持變換器內(nèi)轉(zhuǎn)換模式有90°相位差這一要求，優(yōu)選相位重匹配技術(shù)。當(dāng)所選相位重匹配技術(shù)可充分達(dá)到上述要求后，半徑漸變波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換效率可出現(xiàn)明顯提升。第二，疊加小相位重匹配附加項(xiàng)。于半徑主微擾周期上疊加小相位重匹配附加項(xiàng)（確保附加項(xiàng)幾何周期近似于輸出及輸入模拍頻波長參數(shù)），系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換效率可出現(xiàn)明顯提升。

3 準(zhǔn)光模式的微波傳輸線及模式變換

3.1 模式變換要求

準(zhǔn)光模式中，在評(píng)估微波系統(tǒng)的模式變換時(shí)，需充分考慮回旋管對(duì)應(yīng)模式的特征。如回旋管的工作模式為非對(duì)稱TEmp模，為確保高功率微波系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需預(yù)先將伴有高度邊廊化特征的復(fù)雜極化模式調(diào)整為更加易于傳輸?shù)牡碗A模式。

3.2 數(shù)值模擬

考慮到Vlasov輻射器存在典型波束形狀不規(guī)則、輻射主瓣寬等特征，在設(shè)計(jì)模式變換器時(shí)，可將輻射主瓣寬度、波束形狀等納入波傳播的影響因素范疇內(nèi)。在波傳輸過程中，回旋管有限大的反射面，僅可截獲部分能量，且傳播過程需同時(shí)由多個(gè)反射面共同進(jìn)行相位校正，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程的轉(zhuǎn)換效率偏低。為解決上述問題，可將轉(zhuǎn)換模式調(diào)整為：利用復(fù)雜反射曲面替代Valsov輻射器中的原反射面。在復(fù)雜反射曲面的作用下，入射波束可于較短時(shí)間內(nèi)完成校正，并于回旋管中的固定點(diǎn)同相，而各點(diǎn)入射波束經(jīng)第一條入射波束反射后，均達(dá)到固定點(diǎn)位置。由此可認(rèn)為，該模式僅經(jīng)一級(jí)反射，即可達(dá)到理想高斯分布。

4 軸線彎曲波導(dǎo)模式的微波傳輸線及模式變換

4.1 TM01-TE11

在過模圓波導(dǎo)彎曲變形中，TM01-TE11模式轉(zhuǎn)換較為特殊。由于波導(dǎo)尺寸較大（與高功率條件有關(guān)），在確定Tm01-TE11模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)期間，需充分考慮反向波、相位重匹配等因素，對(duì)模式變換及波傳輸?shù)挠绊憽?/p>

結(jié)合軸線彎曲波導(dǎo)TM01-TE11模式轉(zhuǎn)換特征來看，模式耦合對(duì)變換器幾何結(jié)構(gòu)的影響體現(xiàn)為：在復(fù)雜模式耦合過程中，部分模式的耦合機(jī)制較弱，但這類模式可與輸出模、輸入模耦合較強(qiáng)的其他模式，形成強(qiáng)耦合反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致模式變換器的幾何結(jié)構(gòu)、TE11幅值等受到影響。基于上述特征，在選定TM01-TE11的幾何模式時(shí)，可將其假定為大量模式耦合機(jī)制（同時(shí)涉及多種模式的參與），進(jìn)而確保所確定幾何參量屬于最優(yōu)解。例如，可將TM01-TE11模式變換器的參數(shù)設(shè)置為：直徑、中心頻率分別為70mm、8.8GHz。經(jīng)模擬分析證實(shí)，該模式變換器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98%。在模式轉(zhuǎn)換中，寄生模式的輸出功率是影響轉(zhuǎn)換效率的主要因素，為遏制該因素的影響，可于2段圓弧間增設(shè)一段直波導(dǎo)相位重匹配法。在半徑13.6mm、轉(zhuǎn)換頻率35GHz條件下，引入相位重匹配法（延遲段）后，模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率、帶寬均明顯提升，分別提升0.5%、1.9%。

4.2 TE01-TE11

在這種模式轉(zhuǎn)換器中，可選擇蛇形線微擾法（波導(dǎo)軸線）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。相對(duì)于其他方法而言，蛇形線微擾法，可提高圓波導(dǎo)TE01-TE11的轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)模擬分析證實(shí)：蛇形線微擾轉(zhuǎn)換模式下，TE01-TE11的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98%以上。

4.3 TE01-TM11

回旋速調(diào)管的輸出模式以TE02模、TE01模為主。在運(yùn)行期間，輸出模式通常不直接使用，而需經(jīng)高功率模式變換，滿足回旋速調(diào)管的正常運(yùn)行需求。

根據(jù)該輸出模式轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的要求，可將其轉(zhuǎn)換模式設(shè)計(jì)為：以TM11為中介極化模，將其轉(zhuǎn)變?yōu)镠E11模后，再對(duì)外輻射。在這種轉(zhuǎn)換模式下，TM11、TE01的相速一致。依據(jù)上述要求，可選定正弦彎曲法開展轉(zhuǎn)換。經(jīng)模擬分析證實(shí)：在正弦彎曲法的支持下，TE01-TE11模式轉(zhuǎn)換器的帶寬、轉(zhuǎn)換效率，均可達(dá)到要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，波導(dǎo)變形對(duì)波傳輸、模式變換的影響較大。為確?；匦苣芰康挠行л椛洌蓞⒄詹▽?dǎo)類型，以模擬分析法，確定適宜的微波傳輸線、幾何結(jié)構(gòu)，以保障各波導(dǎo)模式變換的高效完成。此外，為促進(jìn)模式變換效率的進(jìn)一步提升，還可深入挖掘高功率微波系統(tǒng)的波導(dǎo)變形、波傳輸特征分析經(jīng)驗(yàn)，從中篩選出有價(jià)值的信息，進(jìn)而促進(jìn)高功率微波系統(tǒng)的發(fā)展。