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，山西 汾陽 032200）

1 模式變換系統的特征

1.1 波耦合特征

在高功率微波系統中，各波型之間常常會出現耦合現象。結合既往經驗可知，單一波導系統中，各波型間的耦合較為強烈。在耦合期間，受圓波導大曲率轉彎因素的影響，簡并波功率、圓電波功率的轉換機制會受到一定影響，即出現部分轉換或全部發生轉換。

高功率微波系統中耦合模式的發生功率，主要受到以下幾種因素的影響：第一，相位常數差因素。在微波系統中，2個耦合模式間的相位常數差參數與耦合引發的功率轉換幅度（耦合能力）呈負相關關系，即隨著相位常數差參數的降低，2耦合模式間的功率轉換越大，同時，系統的耦合能力也越大。第二，耦合系數因素。耦合系數則與耦合波型的功率轉換效率呈正相關關系。

1.2 耦合模式的空間同步特征

在波導系統中，2個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律。在這一模式下，隨著耦合模式間的不斷轉換，持續轉換形成的迭加狀態，促使高功率微波系統中產生最大功率轉換。

1.3 全轉換特征

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

2 半徑漸變波導模式的微波傳輸線及模式變換

2.1 TE0n-TE01方面

在半徑漸變波導模式下，回旋管的波導變形需滿足如下特征：第一，低損耗特征。考慮到高功率微波系統的正常運行要求，回旋管的半徑漸變波導變形，需確保變形過程中產生的損耗符合低損耗要求。第二，線極化膜HE11轉換特征。該波導的變形目的為：從原模式轉換為線極化膜HE11。基于上述需要，回旋管的輸出模式TE0n，需通過轉換調整為圓對稱模TE01。

為確定該波導變形對波傳輸、模式變換的影響，可分別運用多種方法，開展高效轉換分析。第一，過模圓波導半徑突變法。將該方法代入半徑漸變波導模式中，在TE0m向TE0n的轉換中，以過模圓波導半徑突變法完成高效轉換的前提為：N值較大，能夠達到抑制轉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，高功率微波系統的帶寬容易受到一定限制。由此可認為，采用該方法無法滿足模式轉換要求。第二，基于寄生模式影響的幾何結構合理選擇法。在評估波導變形對波傳輸的影響時，可參照波型轉換流程，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換效率提升要求的影響。通過對波型轉換機制的分析可知，寄生模式轉換功率、效率與波動幅度間的關聯為：隨著波動幅度的增長，寄生模式轉換效率、轉換功率均隨之增加。基于上述條件，在進行模式轉換期間，需在充分考慮寄生模式形成影響作用的基礎上，合理選擇模式轉換器所對應的幾何結構。在TE0m-TE0n轉換中，可將幾何周期數確定為3個。這種轉換模式既考慮例寄生模式產生的影響作用，同時，適宜的幾何結構，還可對寄生模式形成良好抑制，進而確保TE0m-TE0n間的高效轉換。

2.2 TM0n-TM01-TE11方面

在半徑漸變波導模式中，以相對論反波管（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模式轉換器所對應的變換序列為：TM0n（高功率微波源）-TM01（低損耗）-TE11-HE11（天線）。該序列中的關鍵為TM01-TE11。結合既往經驗來看，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，如直接選用波導軸線微擾法進行耦合，則難以于較少波長范圍內達到高效轉換要求[1]。為保障轉換效率，可將TM11作為轉換序列中的中介計劃模，借助Tm01-Tm11-TE11這一轉換序列，實現毫米波源中TM01-TE11的模式變化，并達到縮短變換器長度的要求。相對于其他轉換結構而言，上述轉換結構的優勢在于：在波傳輸過程中，輸出模極化方向的轉變便捷性較強，可根據實際需求進行合理調整。

2.3 模擬分析方面

針對TE0n-TE01、TE0n-TE01-TE11的轉換結構開展模擬分析，分析結果表明：第一，相位重匹配技術優選。在波導模式轉換中，可按照維持變換器內轉換模式有90°相位差這一要求，優選相位重匹配技術。當所選相位重匹配技術可充分達到上述要求后，半徑漸變波導的模式轉換效率可出現明顯提升。第二，疊加小相位重匹配附加項。于半徑主微擾周期上疊加小相位重匹配附加項（確保附加項幾何周期近似于輸出及輸入模拍頻波長參數），系統的模式轉換效率可出現明顯提升。

3 準光模式的微波傳輸線及模式變換

3.1 模式變換要求

準光模式中，在評估微波系統的模式變換時，需充分考慮回旋管對應模式的特征。如回旋管的工作模式為非對稱TEmp模，為確保高功率微波系統的正常運行，需預先將伴有高度邊廊化特征的復雜極化模式調整為更加易于傳輸的低階模式。

3.2 數值模擬

考慮到Vlasov輻射器存在典型波束形狀不規則、輻射主瓣寬等特征，在設計模式變換器時，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。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，且傳播過程需同時由多個反射面共同進行相位校正，整個轉換過程的轉換效率偏低。為解決上述問題，可將轉換模式調整為：利用復雜反射曲面替代Valsov輻射器中的原反射面。在復雜反射曲面的作用下，入射波束可于較短時間內完成校正，并于回旋管中的固定點同相，而各點入射波束經第一條入射波束反射后，均達到固定點位置。由此可認為，該模式僅經一級反射，即可達到理想高斯分布。

4 軸線彎曲波導模式的微波傳輸線及模式變換

4.1 TM01-TE11

在過模圓波導彎曲變形中，TM01-TE11模式轉換較為特殊。由于波導尺寸較大（與高功率條件有關），在確定Tm01-TE11模式轉換結構期間，需充分考慮反向波、相位重匹配等因素，對模式變換及波傳輸的影響。

結合軸線彎曲波導TM01-TE11模式轉換特征來看，模式耦合對變換器幾何結構的影響體現為：在復雜模式耦合過程中，部分模式的耦合機制較弱，但這類模式可與輸出模、輸入模耦合較強的其他模式，形成強耦合反應，進而導致模式變換器的幾何結構、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，可將其假定為大量模式耦合機制（同時涉及多種模式的參與），進而確保所確定幾何參量屬于最優解。例如，可將TM01-TE11模式變換器的參數設置為：直徑、中心頻率分別為70mm、8.8GHz。經模擬分析證實，該模式變換器的轉換效率可達98%。在模式轉換中，寄生模式的輸出功率是影響轉換效率的主要因素，為遏制該因素的影響，可于2段圓弧間增設一段直波導相位重匹配法。在半徑13.6mm、轉換頻率35GHz條件下，引入相位重匹配法（延遲段）后，模式轉換器的轉換效率、帶寬均明顯提升，分別提升0.5%、1.9%。

4.2 TE01-TE11

在這種模式轉換器中，可選擇蛇形線微擾法（波導軸線）進行轉換。相對于其他方法而言，蛇形線微擾法，可提高圓波導TE01-TE11的轉換效率。經模擬分析證實：蛇形線微擾轉換模式下，TE01-TE11的轉換效率可達98%以上。

4.3 TE01-TM11

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

根據該輸出模式轉換對應波導模式轉換器的要求，可將其轉換模式設計為：以TM11為中介極化模，將其轉變為HE11模后，再對外輻射。在這種轉換模式下，TM11、TE01的相速一致。依據上述要求，可選定正弦彎曲法開展轉換。經模擬分析證實：在正弦彎曲法的支持下，TE01-TE11模式轉換器的帶寬、轉換效率，均可達到要求。

5 結束語

綜上所述，波導變形對波傳輸、模式變換的影響較大。為確保回旋管能量的有效輻射，可參照波導類型，以模擬分析法，確定適宜的微波傳輸線、幾何結構，以保障各波導模式變換的高效完成。此外，為促進模式變換效率的進一步提升，還可深入挖掘高功率微波系統的波導變形、波傳輸特征分析經驗，從中篩選出有價值的信息，進而促進高功率微波系統的發展。