[發明專利]一種慢波高功率微波源的輸出模式純化方法

有效

• 申請號: 201310510340.4
• 申請日: 2013-10-26
• 公開（公告）號: CN103545579A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 張軍;張點;鐘輝煌;靳振興;袁玉章
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01P1/16
• 分類號: H01P1/16;G06F17/50
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明屬于高功率微波技術領域，涉及高功率微波源的輸出模式純化方法，特別是一種將慢波高功率微波源輸出的任意功率比例的TM₀₁、TM₀₂混合模式純化為單一的TM₀₁模式并保持輸出功率不變的方法。

背景技術

高功率微波通常是指脈沖峰值功率大于100MW、頻率在微波波段的電磁波。由于其具有非常高峰值功率的特點，在定向能武器、高功率雷達等領域有著非常重要的應用前景，并在近年來得到了許多國家的廣泛關注和大量研究投入，取得了極大的技術進步。

高功率微波源是產生高功率微波的核心器件。在各種高功率微波源中，慢波高功率微波源由于具有高功率、高效率、高重頻輸出的優點而倍受重視。傳統的慢波高功率微波源采用單模結構，其功率輸出波導內只含有TM₀₁模式而對TM₀₂模式截止，即功率輸出波導的半徑R₀與產生微波波長λ的關系為：0.38λ?<?R₀<?0.88λ。然而，出于增強散熱能力或者提高功率容量的需要，近年來一些新型慢波高功率微波源的功率輸出波導采用了對TM₀₂模式不截止而對TM₀₃模式截止的過模結構，即功率輸出波導的半徑R₀與產生微波波長λ的關系為：0.88λ?<?R₀<?1.38λ。此時，由于功率輸出波導和束波作用區（即產生微波功率的區域）之間的不連續結構的模式轉換效應以及束波作用區內為多模契倫科夫輻射過程等原因，微波功率輸出波導中將同時包含有TM₀₁、TM₀₂模式。

慢波高功率微波源的輸出功率中同時含有TM₀₁、TM₀₂兩個模式，將給輸出功率后續的模式轉換、功率測量和天線輻射的設計造成極大的困難，因為模式轉換器、功率測量裝置和輻射天線通常都是針對單一的TM₀₁模式設計的。因此，有必要將輸出功率中的TM₀₁、TM₀₂混合模式純化為單一的TM₀₁模式。

目前，將慢波功率微波源輸出的TM₀₁、TM₀₂混合模式純化為單一的TM₀₁模式的研究未見報道。這主要是因為該領域的研究重心仍在于提高輸出微波的功率、脈寬和頻率。盡管如此，國防科技大學的研究報道中曾經指出，既能夠保持慢波高功率微波源的輸出功率不變，又能夠提高輸出功率中TM₀₁模式的比重的典型方法就是在功率輸出段加入錐波導【Dian?Zhang，Jun?Zhang，Huihuang?Zhong，Zhenxing?Jin.?Analysis?of?the?mode?composition?of?an?X-band?overmoded?O-type?Cerenkov?high-power?microwave?oscillator.?Physics?of?Plasmas，2012，Vol.19，No.103102，pp.103102-1-103102-8】：該錐波導將慢波高功率微波源的功率輸出波導的半徑由小過渡大；該錐波導的下游的為大半徑功率輸出波導；該錐波導上游的圓波導中同時含有TM₀₁、TM₀₂模式，而下游的大半徑圓波導中同時含有TM₀₁、TM₀₂、TM₀₃三個模式；調節該錐波導的長度和斜率，可以提高該慢波高功率微波源的輸出波導中TM₀₁模式的功率所占比重。然而，對于如何通過錐波導的設計使得功率輸出波導中只含有單一的TM₀₁模式，該研究報道并未說明。

此外，對于模式純化問題具有啟發意義的是，采用半徑周期式緩慢漸變的圓波導結構的模式轉換器【牛新建.?高功率微波傳輸線及模式變換研究.?電子科技大學博士學位論文，2003】可以將慢波高功率微波源輸出的單一的TM₀₂模式完全轉化為單一的TM₀₁模式。然而，其所解決的問題并非將TM₀₁、TM₀₂混合模式純化為單一的TM₀₁模式。