高功率毫米波準光傳輸器件研究.pdf

1、高功率毫米波在定向能武器系統(tǒng)、電子回旋諧振加熱、定向高能武器、材料表面處理等研究領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的導(dǎo)波技術(shù)難以滿足這些應(yīng)用系統(tǒng)中高功率、高效率和高純度的傳輸要求。準光技術(shù)專門研究準直性好、束半徑大（相對于導(dǎo)波波長）波束的傳播問題，可以為高功率毫米波的高效傳輸提供新途徑。因此，積極開展基于準光技術(shù)的高功率毫米波傳輸器件研究對充分發(fā)揮毫米波源性能、促進高功率毫米波的應(yīng)用具有重要意義。
　　本文結(jié)合多個科研項目的迫切需求，對高功率

2、毫米波準光傳輸系統(tǒng)中包括準光模式變換器、斜角彎頭、準光諧振雙工器等若干技術(shù)問題進行了深入細致的理論與實驗研究。具體的研究內(nèi)容及工作如下：
　　1.采用幾何光學(xué)理論和波導(dǎo)理論相結(jié)合的方法，對傳統(tǒng)的Denisov輻射器的設(shè)計方法進行了分析和改進，提出了針對相對低階回旋管壁微擾波導(dǎo)輻射器的相位匹配優(yōu)化技術(shù)，提高了對衛(wèi)星模式的成分的控制能力。同時，為了快速有效地完成對波導(dǎo)輻射器的性能分析，提出了改進型等效電流積分分析方法。基于上述理論，編

3、寫相應(yīng)地數(shù)值程序，優(yōu)化設(shè)計了94GHz、TE5,3模Denisov輻射器，理論計算結(jié)果表明輸出標量高斯含量可達98.5％。
　　2.運用矢量繞射理論對準光模式變換器的鏡面系統(tǒng)進行了研究與分析，并結(jié)合誤差校正Katsenelenbaum-Semenov算法對設(shè)計的Denisov輻射器的后續(xù)鏡面進行了設(shè)計。最終，在輸出窗口處實現(xiàn)了束腰大小為12mm，標量高斯含量為99.52%，矢量高斯含量為95.93%的波束輸出。為了實驗研究準光模式

4、變換器的性能，對低功率圓極化模式激勵技術(shù)進行了研究。利用設(shè)計的模式激勵器，開展了準光模式變換器的低功率實驗研究，實驗結(jié)果表明輸出場的標量高斯含量為98.6%。
　　3.系統(tǒng)研究了高斯波束與波導(dǎo)混合模式的傳播特性，提出了適用于TE0m（m?1)模的寬頻帶、低損耗高功率斜角彎頭的設(shè)計方法。根據(jù)這一方法，傳輸模式 TE0m（m?1)模被轉(zhuǎn)換成具有高斯傳播特性的混合模式。結(jié)合模匹配技術(shù)和遺傳算法，提出了一種能快速自適應(yīng)產(chǎn)生高斯型混合模式的

5、計算方法?；谏鲜龇椒ǎO(shè)計了一個功率容量百千瓦量級、Ka波段、TE0,1模斜角彎頭，并進行了實物加工。實驗結(jié)果表明：在頻率為29 GHz-31.5 GHz、峰值功率130kW、平均功率10kW的情況下，高功率斜角彎頭能有效引導(dǎo)TE0,1模的轉(zhuǎn)彎傳輸。
　　4.采用行波法對準光諧振雙工器的傳輸性能進行了推導(dǎo)，并分析了光柵效率和諧振長度對傳輸特性的影響。同時，對準光諧振雙工器的濾波性能、Q值及損耗等特性進行了理論研究。根據(jù) ITER

6、電子回旋加熱系統(tǒng)的要求，研制了一個170GHz、LP01模準光諧振雙工器，并詳細給出了波束在雙工器內(nèi)的傳播和各個部件（相位逆轉(zhuǎn)鏡（匹配鏡、諧振鏡）、衍射光柵和功率監(jiān)測光柵）的設(shè)計方法及結(jié)果。由于直接采用 LP01模而不是先將其轉(zhuǎn)換為高斯模式作為傳輸模式，研制的準光諧振雙工器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的特點。
　　5.采用實驗的方法對170GHz準光諧振雙工器的性能以及其可能的應(yīng)用進行了系統(tǒng)地研究與探索。基于三種不同的測試方法（S-參數(shù)法、

7、量熱計法和諧振法），對雙工器傳輸性能進行了研究，測試結(jié)果表明雙工器的諧振通道和非諧振通道的傳輸效率分別為95.4%和98.2%。對準光諧振雙工器的輸出和高階模式的濾除能力進行了測試，諧振通道對低階寄生模式的平均濾除能力為-8dB，高階模式的濾除能力可達-17.5dB。采用在諧振端口加載不同負載的方式模擬了等離子體對電子回旋加熱波的反射對隔離端口的影響。在多模發(fā)射的情況下，雙工器端口隔離度優(yōu)于40dB；在端口匹配的情況下，雙工器端口隔離度