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回旋振荡管是一种能在毫米和亚毫米波段输出高功率微波能量的快波器件,在受控热核聚变的等离子体加热、高能粒子加速器、毫米波定向能武器和材料处理等领域有着广泛应用。高功率回旋振荡管通常工作在高阶腔体模式下,而工作在过模结构的高阶腔体模式由于在传输过程中存在严重的衍射和极化损耗,实际上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。采用传统的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。准光模式变换器由开口波导辐射器(天线)与反射镜面系统组成。本论文从三类典型高阶腔体模式(圆电模,边廊模和不对称体模)工作的高功率回旋振荡管出发,探索准光输出的原理和设计,研究相应的准光模式变换器。论文的主要内容如下:
1.详细研究并设计了适用于圆电模回旋振荡管准光输出的Vlasov型准光模式变换器。该变换器由Vlasov阶梯型开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器组成。采用几何光学研究并设计了阶梯型开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器的具体形状,再利用矢量绕射理论和等效原理详细分析了变换器的工作过程,并编写了相应的仿真程序,针对具体参数的W波段圆电模回旋振荡管,详细分析了工作模式在此模式变换器中的变换过程,讨论了输出结果。
2.研究并计算了边廊模回旋振荡管的一种Vlasov型准光模式变换器的辐射场。该变换器仅由Vlasov螺旋切割型开口辐射器和准抛物面反射器组成。采用几何光学研究并设计了螺旋切割型开口辐射器和准抛物面反射器的具体形状,利用等效像源模型和矢量绕射理论分析了通过此变换器的辐射场,针对具体参数的W波段边廊模回旋振荡管,编写仿真程序,讨论了辐射波束的场分布特性。
3.详细研究并设计了适用于边廊模回旋振荡管准光输出的Vlasov型准光模式变换器。该变换器由Vlasov螺旋切割型开口辐射器、准椭圆面反射器和二级曲面反射器组成。采用几何光学研究并设计了螺旋切割型开口辐射器、准椭圆面反射器和二级曲面反射器的具体形状,再利用矢量绕射理论详细分析了变换器的工作过程,并编写了相应的仿真程序,针对具体参数的W波段边廊模回旋振荡管,详细分析了工作模式在此模式变换器中的变换过程,讨论了输出结果。
4.详细研究了高阶不对称体模回旋振荡管的Denisov型准光模式变换器的工作原理和设计方法,并针对W波段不对称体模回旋振荡管,采用几何光学和耦合波理论简单设计了Denisov开口辐射器。