高功率毫米波準(zhǔn)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(mǎn)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(zhǔn)光技術(shù)專(zhuān)門(mén)研究準(zhǔn)直性好、束半徑大（相對(duì)于導(dǎo)波波長(zhǎng)）波束的傳播問(wèn)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(kāi)展基于準(zhǔn)光技術(shù)的高功率毫米波傳輸器件研究對(duì)充分發(fā)揮毫米波源性能、促進(jìn)高功率毫米波的應(yīng)用具有重要意義。
　　本文結(jié)合多個(gè)科研項(xiàng)目的迫切需求，對(duì)高功率

2、毫米波準(zhǔn)光傳輸系統(tǒng)中包括準(zhǔn)光模式變換器、斜角彎頭、準(zhǔn)光諧振雙工器等若干技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入細(xì)致的理論與實(shí)驗(yàn)研究。具體的研究?jī)?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(duì)傳統(tǒng)的Denisov輻射器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析和改進(jìn)，提出了針對(duì)相對(duì)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(duì)衛(wèi)星模式的成分的控制能力。同時(shí)，為了快速有效地完成對(duì)波導(dǎo)輻射器的性能分析，提出了改進(jìn)型等效電流積分分析方法。基于上述理論，編

3、寫(xiě)相應(yīng)地?cái)?shù)值程序，優(yōu)化設(shè)計(jì)了94GHz、TE5,3模Denisov輻射器，理論計(jì)算結(jié)果表明輸出標(biāo)量高斯含量可達(dá)98.5％。
　　2.運(yùn)用矢量繞射理論對(duì)準(zhǔn)光模式變換器的鏡面系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析，并結(jié)合誤差校正Katsenelenbaum-Semenov算法對(duì)設(shè)計(jì)的Denisov輻射器的后續(xù)鏡面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最終，在輸出窗口處實(shí)現(xiàn)了束腰大小為12mm，標(biāo)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(shí)驗(yàn)研究準(zhǔn)光模式

4、變換器的性能，對(duì)低功率圓極化模式激勵(lì)技術(shù)進(jìn)行了研究。利用設(shè)計(jì)的模式激勵(lì)器，開(kāi)展了準(zhǔn)光模式變換器的低功率實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輸出場(chǎng)的標(biāo)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(jì)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(jì)算方法。基于上述方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)功率容量百千瓦量級(jí)、Ka波段、TE0,1模斜角彎頭，并進(jìn)行了實(shí)物加工。實(shí)驗(yàn)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(duì)準(zhǔn)光諧振雙工器的傳輸性能進(jìn)行了推導(dǎo)，并分析了光柵效率和諧振長(zhǎng)度對(duì)傳輸特性的影響。同時(shí)，對(duì)準(zhǔn)光諧振雙工器的濾波性能、Q值及損耗等特性進(jìn)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(gè)170GHz、LP01模準(zhǔn)光諧振雙工器，并詳細(xì)給出了波束在雙工器內(nèi)的傳播和各個(gè)部件（相位逆轉(zhuǎn)鏡（匹配鏡、諧振鏡）、衍射光柵和功率監(jiān)測(cè)光柵）的設(shè)計(jì)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(zhǔn)光諧振雙工器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的特點(diǎn)。
　　5.采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)170GHz準(zhǔn)光諧振雙工器的性能以及其可能的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)地研究與探索?；谌N不同的測(cè)試方法（S-參數(shù)法、

7、量熱計(jì)法和諧振法），對(duì)雙工器傳輸性能進(jìn)行了研究，測(cè)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(duì)準(zhǔn)光諧振雙工器的輸出和高階模式的濾除能力進(jìn)行了測(cè)試，諧振通道對(duì)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(dá)-17.5dB。采用在諧振端口加載不同負(fù)載的方式模擬了等離子體對(duì)電子回旋加熱波的反射對(duì)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