高功率微波传输线及模式变换分析

郜 铮

（山西广播电视无线管理中心428台，山西 汾阳 032200）

1 模式变换系统的特征

1.1 波耦合特征

在高功率微波系统中，各波型之间常常会出现耦合现象。结合既往经验可知，单一波导系统中，各波型间的耦合较为强烈。在耦合期间，受圆波导大曲率转弯因素的影响，简并波功率、圆电波功率的转换机制会受到一定影响，即出现部分转换或全部发生转换。

高功率微波系统中耦合模式的发生功率，主要受到以下几种因素的影响：第一，相位常数差因素。在微波系统中，2个耦合模式间的相位常数差参数与耦合引发的功率转换幅度（耦合能力）呈负相关关系，即随着相位常数差参数的降低，2耦合模式间的功率转换越大，同时，系统的耦合能力也越大。第二，耦合系数因素。耦合系数则与耦合波型的功率转换效率呈正相关关系。

1.2 耦合模式的空间同步特征

在波导系统中，2个耦合模式的传输具有典型空间同步特征，即二者符合相速相等规律。在这一模式下，随着耦合模式间的不断转换，持续转换形成的迭加状态，促使高功率微波系统中产生最大功率转换。

1.3 全转换特征

在高功率微波系统中，相对于部分转换而言，全转换更加常见。这种转换模式的特征为：系统中1种波型的功率全部转换成相同波导或另一波导中的其他波型功率。从全转换的发生条件来看，确保2种波型间的功率转换为全转换的基础条件为：二者间的耦合能力达到最大值。

2 半径渐变波导模式的微波传输线及模式变换

2.1 TE0n-TE01方面

在半径渐变波导模式下，回旋管的波导变形需满足如下特征：第一，低损耗特征。考虑到高功率微波系统的正常运行要求，回旋管的半径渐变波导变形，需确保变形过程中产生的损耗符合低损耗要求。第二，线极化膜HE11转换特征。该波导的变形目的为：从原模式转换为线极化膜HE11。基于上述需要，回旋管的输出模式TE0n，需通过转换调整为圆对称模TE01。

为确定该波导变形对波传输、模式变换的影响，可分别运用多种方法，开展高效转换分析。第一，过模圆波导半径突变法。将该方法代入半径渐变波导模式中，在TE0m向TE0n的转换中，以过模圆波导半径突变法完成高效转换的前提为：N值较大，能够达到抑制转换过程中寄生模式功率的要求。但随着模式变换器N值的增加，高功率微波系统的带宽容易受到一定限制。由此可认为，采用该方法无法满足模式转换要求。第二，基于寄生模式影响的几何结构合理选择法。在评估波导变形对波传输的影响时，可参照波型转换流程，确定几何微扰周期的最佳N值影响因素，即受带宽要求、寄生模式限制以及模式转换效率提升要求的影响。通过对波型转换机制的分析可知，寄生模式转换功率、效率与波动幅度间的关联为：随着波动幅度的增长，寄生模式转换效率、转换功率均随之增加。基于上述条件，在进行模式转换期间，需在充分考虑寄生模式形成影响作用的基础上，合理选择模式转换器所对应的几何结构。在TE0m-TE0n转换中，可将几何周期数确定为3个。这种转换模式既考虑例寄生模式产生的影响作用，同时，适宜的几何结构，还可对寄生模式形成良好抑制，进而确保TE0m-TE0n间的高效转换。

2.2 TM0n-TM01-TE11方面

在半径渐变波导模式中，以相对论反波管（BWO）、虚阴极振荡器（VCO）等为代表的高功率毫米波源通常采用TM01模式或TM0n混合模。这类毫米波源的外接波导模式转换器所对应的变换序列为：TM0n（高功率微波源）-TM01（低损耗）-TE11-HE11（天线）。该序列中的关键为TM01-TE11。结合既往经验来看，这种毫米波源TM01与TE11之间的拍波波长较长。在这种特殊条件下，如直接选用波导轴线微扰法进行耦合，则难以于较少波长范围内达到高效转换要求[1]。为保障转换效率，可将TM11作为转换序列中的中介计划模，借助Tm01-Tm11-TE11这一转换序列，实现毫米波源中TM01-TE11的模式变化，并达到缩短变换器长度的要求。相对于其他转换结构而言，上述转换结构的优势在于：在波传输过程中，输出模极化方向的转变便捷性较强，可根据实际需求进行合理调整。

2.3 模拟分析方面

针对TE0n-TE01、TE0n-TE01-TE11的转换结构开展模拟分析，分析结果表明：第一，相位重匹配技术优选。在波导模式转换中，可按照维持变换器内转换模式有90°相位差这一要求，优选相位重匹配技术。当所选相位重匹配技术可充分达到上述要求后，半径渐变波导的模式转换效率可出现明显提升。第二，叠加小相位重匹配附加项。于半径主微扰周期上叠加小相位重匹配附加项（确保附加项几何周期近似于输出及输入模拍频波长参数），系统的模式转换效率可出现明显提升。

3 准光模式的微波传输线及模式变换

3.1 模式变换要求

准光模式中，在评估微波系统的模式变换时，需充分考虑回旋管对应模式的特征。如回旋管的工作模式为非对称TEmp模，为确保高功率微波系统的正常运行，需预先将伴有高度边廊化特征的复杂极化模式调整为更加易于传输的低阶模式。

3.2 数值模拟

考虑到Vlasov辐射器存在典型波束形状不规则、辐射主瓣宽等特征，在设计模式变换器时，可将辐射主瓣宽度、波束形状等纳入波传播的影响因素范畴内。在波传输过程中，回旋管有限大的反射面，仅可截获部分能量，且传播过程需同时由多个反射面共同进行相位校正，整个转换过程的转换效率偏低。为解决上述问题，可将转换模式调整为：利用复杂反射曲面替代Valsov辐射器中的原反射面。在复杂反射曲面的作用下，入射波束可于较短时间内完成校正，并于回旋管中的固定点同相，而各点入射波束经第一条入射波束反射后，均达到固定点位置。由此可认为，该模式仅经一级反射，即可达到理想高斯分布。

4 轴线弯曲波导模式的微波传输线及模式变换

4.1 TM01-TE11

在过模圆波导弯曲变形中，TM01-TE11模式转换较为特殊。由于波导尺寸较大（与高功率条件有关），在确定Tm01-TE11模式转换结构期间，需充分考虑反向波、相位重匹配等因素，对模式变换及波传输的影响。

结合轴线弯曲波导TM01-TE11模式转换特征来看，模式耦合对变换器几何结构的影响体现为：在复杂模式耦合过程中，部分模式的耦合机制较弱，但这类模式可与输出模、输入模耦合较强的其他模式，形成强耦合反应，进而导致模式变换器的几何结构、TE11幅值等受到影响。基于上述特征，在选定TM01-TE11的几何模式时，可将其假定为大量模式耦合机制（同时涉及多种模式的参与），进而确保所确定几何参量属于最优解。例如，可将TM01-TE11模式变换器的参数设置为：直径、中心频率分别为70mm、8.8GHz。经模拟分析证实，该模式变换器的转换效率可达98%。在模式转换中，寄生模式的输出功率是影响转换效率的主要因素，为遏制该因素的影响，可于2段圆弧间增设一段直波导相位重匹配法。在半径13.6mm、转换频率35GHz条件下，引入相位重匹配法（延迟段）后，模式转换器的转换效率、带宽均明显提升，分别提升0.5%、1.9%。

4.2 TE01-TE11

在这种模式转换器中，可选择蛇形线微扰法（波导轴线）进行转换。相对于其他方法而言，蛇形线微扰法，可提高圆波导TE01-TE11的转换效率。经模拟分析证实：蛇形线微扰转换模式下，TE01-TE11的转换效率可达98%以上。

4.3 TE01-TM11

回旋速调管的输出模式以TE02模、TE01模为主。在运行期间，输出模式通常不直接使用，而需经高功率模式变换，满足回旋速调管的正常运行需求。

根据该输出模式转换对应波导模式转换器的要求，可将其转换模式设计为：以TM11为中介极化模，将其转变为HE11模后，再对外辐射。在这种转换模式下，TM11、TE01的相速一致。依据上述要求，可选定正弦弯曲法开展转换。经模拟分析证实：在正弦弯曲法的支持下，TE01-TE11模式转换器的带宽、转换效率，均可达到要求。

5 结束语

综上所述，波导变形对波传输、模式变换的影响较大。为确保回旋管能量的有效辐射，可参照波导类型，以模拟分析法，确定适宜的微波传输线、几何结构，以保障各波导模式变换的高效完成。此外，为促进模式变换效率的进一步提升，还可深入挖掘高功率微波系统的波导变形、波传输特征分析经验，从中筛选出有价值的信息，进而促进高功率微波系统的发展。