CN105356013A - 一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，包括反射镜面系统，还包括预聚束型开口辐射器；所述预聚束型开口辐射器包括金属波导管，所述金属波导管内壁采用微扰结构，金属波导管的末端为螺旋切口结构。本发明采用一种预聚束型开口辐射器，该辐射器由一段不规则扰动的波纹波导和螺旋形切口组成。通过特定扰动结构使得工作模式在波导内部被转化为一系列满足特定幅度和相位关系的模式的叠加，进而形成高斯分布，并通过螺旋切口辐射出去。由于切口位置处于高斯束斑边缘表面电流分布最弱的位置，衍射损耗大大减小。

Description

一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器

技术领域

本发明涉及电子行业真空电子学技术领域，尤其涉及一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器。

背景技术

回旋振荡管是毫米及亚毫米波段重要的高功率微波源，在受控热核聚变的等离子体加热、微波定向能武器等领域有着广泛的应用前景。

目前回旋振荡管朝着高功率、长脉冲、连续波输出的方向发展。为了提高回旋振荡管的功率容量，通常采用高阶腔体模式(圆电模、边廊模和不对称体膜)作为回旋振荡管的工作模式。这类高阶腔体模式在传输过程中存在严重的衍射和极化损耗，并不适合于自由空间的传输，必须将其转换为利于传输的低阶波导模式或者自由空间的高斯波束。

目前，公知的模式变换装置可分为波导模式变换器和准光模式变换器。采用波导模式变换器对高阶模式进行降阶变换时，变换器的尺寸巨大、加工困难且模式竞争严重，实际上并不可行，因此必须采用准光模式变换器来实现高阶腔体模式到高斯波束的高效转换。传统的准光模式变换器一般采用波导末端直接开口的Vlasov型开口辐射器，存在较大的衍射损耗，整体转换效率较低。尤其是对于工作在高阶不对称体膜的回旋管，Vlasov型开口辐射器难以满足效率和尺寸的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，该模式变换器可将110GHzTE22,6模式变换为纯度较高的基模高斯模式。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，包括反射镜面系统，还包括预聚束型开口辐射器；所述预聚束型开口辐射器包括金属波导管，所述金属波导管内壁采用微扰结构，金属波导管的末端为螺旋切口结构。

进一步，采用微扰结构的波导管内壁半径为：

R(φ,z)＝R_w+αz+δ₁cos(Δβ₁z-l₁φ)+δ₂cos(Δβ₂z-l₂φ)

其中：R_w为输入端圆筒内壁半径，z和φ分别表示轴向和角向的位置；α为波导张角，δ₁和δ₂为微扰的幅度；Δβ₁为TE19,7模与TE25,5模纵向传播常数之差的二分之一，Δβ₂为TE21,6模与TE23,6模纵向传播常数的二分之一，l₁＝1,l₂＝3。

进一步，所述反射镜面系统包括从左至右依次设置的第一镜面、第二镜面、第三镜面和第四镜面，所述第一镜面反射预聚束型开口辐射器的出射波信号，所述第二镜面反射第一镜面反射的波信号，所述第三镜面反射第二镜面反射的波信号，所述第四镜面反射第三镜面反射的波信号。

进一步，所述第一镜面为抛物柱面镜，第二镜面为抛物柱面镜，第三镜面为平面镜，第四镜面为双焦点抛物面镜。

进一步，所述第一镜面形状表示为：

$y(x,z)=\frac{x^2}{f_1},f_1=50mm.$

进一步，所述第二镜面形状表示为：

$y(x,z)=\frac{z^2}{f_2},f_2=350mm.$

进一步，所述第三镜面表面平整。

进一步，所述第四镜面形状表示为：

$y(x,z)=\frac{x^2}{f_1}+\frac{z^2}{f_2},f_1=550mm,f_2=380mm;.$

进一步，所述R_w＝21mm，α＝0.35°，l₁＝1,l₂＝3；所述螺旋型切口结构为标准的一周期螺旋切口，切口的起始位置为z＝130mm，φ＝135°，纵向长度为48mm。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1)采用一种预聚束型开口辐射器，该辐射器由一段不规则扰动的波纹波导和螺旋形切口组成。通过特定扰动结构使得工作模式在波导内部被转化为一系列满足特定幅度和相位关系的模式的叠加，进而形成高斯分布，并通过螺旋切口辐射出去。由于切口位置处于高斯束斑边缘表面电流分布最弱的位置，衍射损耗大大减小；

2)采用由4面金属反射镜组成的反射镜面系统对辐射器的输出波束进行引导和聚束，从而得到纯度较高的准高斯波束。

3)通过预聚束型开口辐射器和反射镜面系统，将回旋振荡管的工作模式(110GHzTE22,6模)转换为纯度较高的基模高斯波束，有效减少了能量的损耗，有助于提高回旋振荡管的整管效率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是高阶不对称体膜回旋管准光模式变换器的结构示意图；

图2是预聚束型开口辐射器的纵向剖面示意图；

图3是扰动结构的扰动幅度分布图；

图4是辐射器内壁的场分布图；

图5准光模式变换器的整体效果图；

其中1是开口辐射器，2是第一镜面，3是第二镜面，4是第三镜面，5是第四镜面，6是输出窗口，7是波导输入端，8是微扰结构，9是螺旋型切口结构。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

为使本发明的目的、技术方案和效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。未描述或附图中未绘示的实施方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或实施过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤外，均可以以任何方式组合。说明书中出现的波导模式名称均指圆波导模式。

一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，包括反射镜面系统，还包括预聚束型开口辐射器；所述预聚束型开口辐射器1包括金属波导管，所述金属波导管内壁采用微扰结构8，金属波导管的末端为螺旋切口结构9。

优选的，所述金属波导管外壁半径恒定，内壁采用微扰结构，采用了微扰结构的内壁半径为：

R(φ,z)＝R_w+αz+δ₁cos(Δβ₁z-l₁φ)+δ₂cos(Δβ₂z-l₂φ)

其中：R_w＝21mm为输入端圆筒内壁半径，z和φ分别表示轴向和角向的位置；α＝0.35°为波导张角；δ₁和δ₂为微扰的幅度，其取值随z变化，如图3所示；

Δβ₁为TE19,7模与TE25,5模纵向传播常数之差的二分之一，Δβ₂为TE21,6模与TE23,6模纵向传播常数的二分之一，l₁＝1,l₂＝3；l₁＝1,l₂＝3,l₁,l₂分别指两级扰动沿角向一周的扰动次数。

优选的，所述螺旋切口结构的内壁为微扰结构内壁的延续，螺旋切口结构为标准的一周期螺旋切口，切口的起始位置为z＝130mm，φ＝135°，纵向长度为48mm；

优选的，所述反射镜面系统包括从左至右依次设置的第一镜面2、第二镜面3、第三镜面4和第四镜面5，所述第一镜面反射预聚束型开口辐射器的出射波信号，预聚束型开口辐射器的输入信号由波导输入端7输入，所述第二镜面反射第一镜面反射的波信号，所述第三镜面反射第二镜面反射的波信号，所述第四镜面反射第三镜面反射的波信号，第四镜面的反射信号经输出窗口输出。4面反射镜的示意图如图1所示，其中：

第一镜面为抛物柱面镜，其形状可表示为：

其中f₁＝50mm；f₁指镜面沿x轴方向的焦距。

第二镜面为抛物柱面镜，其形状可表示为：

其中f₂＝350mm；f₂指镜面沿z轴方向的焦距。

第三镜面为平面镜，用来改变波束的传播方向，第四镜面为双焦点抛物面镜，其形状可表示为：

其中f₁＝550mm，f₂＝380mm；f₁指镜面沿x轴方向的焦距,f₂指镜面沿z轴方向的焦距.

4面反射镜沿x，z方向的尺寸和镜面中心位置以及绕x轴，z轴的旋转角度如下表所示：

图4为Denisov型开口辐射器的内壁上的场分布图，输入的TE22,6模式经过微扰结构的作用，形成了一系列模式的叠加，最终得到近似高斯分布的场分布。其中折线位置为螺旋切口位置。

该准光模式变换器的整体效果如图5所示，获取的输出波束高斯含量超过95％，能量转换效率超过94％。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，包括反射镜面系统，其特征在于：还包括预聚束型开口辐射器；所述预聚束型开口辐射器包括金属波导管，所述金属波导管内壁采用微扰结构，金属波导管的末端为螺旋切口结构。

2.根据权利要求1所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：采用微扰结构的波导管内壁半径为：

R(φ,z)＝R_w+αz+δ₁cos(Δβ₁z-l₁φ)+δ₂cos(Δβ₂z-l₂φ)

其中：R_w为输入端圆筒内壁半径，z和φ分别表示轴向和角向的位置；

α为波导张角，δ₁和δ₂为微扰的幅度；

Δβ₁为TE19,7模与TE25,5模纵向传播常数之差的二分之一，Δβ₂为TE21,6模与TE23,6模纵向传播常数的二分之一，l₁＝1,l₂＝3,l₁,l₂分别指两级扰动沿角向一周的扰动次数。

3.根据权利要求1所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：所述反射镜面系统包括从左至右依次设置的第一镜面、第二镜面、第三镜面和第四镜面，所述第一镜面反射预聚束型开口辐射器的出射波信号，所述第二镜面反射第一镜面反射的波信号，所述第三镜面反射第二镜面反射的波信号，所述第四镜面反射第三镜面反射的波信号。

4.根据权利要求3所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：所述第一镜面为抛物柱面镜，第二镜面为抛物柱面镜，第三镜面为平面镜，第四镜面为双焦点抛物面镜。

5.根据权利要求4所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：所述第一镜面形状表示为：

f₁指镜面沿x轴方向的焦距。

6.根据权利要求4所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：所述第二镜面形状表示为：

f₂指镜面沿z轴方向的焦距。

7.根据权利要求4所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：所述第二镜面表面平整。

8.根据权利要求4所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：所述第四镜面形状表示为：

f₁指镜面沿x轴方向的焦距，f₂指镜面沿z轴方向的焦距。

9.根据权利要求2所述的高阶不对称体模回旋振荡管准光模式变换器，其特征在于：所述R_w＝21mm，α＝0.35°，l₁＝1,l₂＝3；所述螺旋型切口结构为标准的一周期螺旋切口，切口的起始位置为z＝130mm，φ＝135°，纵向长度为48mm。