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回旋管是基于电子回旋脉塞的一类高功率微波源器件,能够在毫米和亚毫米波段产生高功率微波,因此被广泛应用于高分辨率毫米波成像、毫米波对抗、毫米波拒止武器、材料处理、高能粒子加速器和受控热核聚变的等离子体加热等方面。波导模式变换器作为回旋管输出的重要组成部分,直接关系到高频能量输出的质量和实际应用。本论文对毫米波回旋管的波导模式变换输出进行了详细的理论研究和数值模拟设计。论文的主要工作如下:
1.研究了半径渐变和轴线弯曲的过模圆波导中的模式耦合问题。从麦克斯韦方程出发,应用“正交函数展开理论”推导了传输线方程组,进而导出耦合波方程组及相应的耦合系数。
2.研究了高功率微波传输系统中波导形变对波传播的影响。分析了模式转换条件及耦合波方程的数值求解方法,并讨论了对变换器结构进行优化的方法。
3.详细研究和设计了半径微扰和轴线微扰的波导模式变换器。分别采用半径微扰和轴线微扰的周期几何结构及相应的相位重匹配技术,设计出了高效、宽带、紧凑的TE02-TE01以及TE01-TE11模式变换器。在中心频率94GHz时,设计直径为9.68mm的TE02-TE01模式变换器,转换效率达到96.3％,并且转换率95％以上带宽为4GHz,变换器长度为67.1mm；设计直径为8.6mm的TE01-TE11变换器,转换效率达到97.7％,并且转换率95％以上带宽为2GHz,变换器长度为193mm。利用高频仿真软件HFSS对设计的变换器进行了模拟仿真,得到的转换率和带宽等结果与设计相符。
4.根据耦合波理论,研究了波导半径过渡器的分析和设计方法,设计了高效传输TE02模的过渡器,其杂模水平为-40dB,在HFSS中进行了仿真验证,得到的传输效率与杂模水平与设计相符。
5.详细研究和设计了开槽圆波导TE11-HE11模式变换器。通过分析非普通圆波导中混合模的特征方程,研究了其传播特性,采用散射矩阵法研究了其传输特性。设计了开槽圆波导TE11-HE11模式变换器,并在HFSS中进行了建模仿真,在输出端获得了TE11和TM11分别占82.3％和15.4％的能量分布状态,与理想的HE11模较为符合。