论文摘要
高功率微波（HPM）是微波技术的重要研究领域之一,而模式变换和控制装置是高功率微波器件的一个重要组成部分。多数高功率微波源,如虚阴极振荡器、相对论返波管和相对论速调管振荡器等都具有旋转对称结构,其输出电磁场的场结构均是具有旋转对称性的TM0n。TM0n模式输出端口的远场方向图为环状,不利于电磁场的传输和定向发射,需变换成TE11或EH11等线极化模式。本文采用介质填充的方法成功研制了C波段功率容量大于1GW,输入输出同轴的圆波导TM01-TE11模式变换器。其主要工作包括变换器电磁结构的设计及其可行性的论证,填充介质的电磁特性对变换器长度和工作带宽影响的研究,应用复功率守恒技术计算探针溃入圆波导的归一化功率和实验室条件下模式变换器样件冷测实验的研究。本文的主要工作如下:（1）采用介质填充和非对称双半圆的方法,设计了输入输出同轴的圆波导TM01-TE11变换器物理模型。为了完成圆波导中TM01-TE11模式的同轴变换,必须利用突变波导改变电磁场的边界条件,达到改变电磁模式的目的。通常情况下,人们常用的同轴变换结构有短路法、插板式和慢波式三种。本文采用介质填充和非对称双半圆的方法获得两半圆波导内TE11模式的半周期相差,最终实现圆波导TM01-TE11模式同轴变换的物理模型,对这两种物理模型作了严格的理论分析,并证明了这其理论上的可行性。（2）完成了介质材料的介电常数对变换器长度和工作带宽的影响的研究。采用矢量叠加的方法对模式变换器物理模型做了理论分析,发现了波导中填充介质材料的介电常数越大,变换器的长度越小,工作带宽越窄的结论。模拟仿真得出的结果与理论分析基本一致。（3）利用CST,HFSS软件对变换器模型进行模拟和优化,得出了工作在C波段和Ka波段的变换器在最佳变换效率和带宽时,模型主要物理量的参数值,并估算得出变换器的功率容量。（4）为了证明理论和模拟的正确性,我们在模拟的基础上进行了详尽的实验研究。轴探针TEM在圆波导中激励可得实验所需的TM01模式,采用吸波的方法满足变换器的辐射边界条件。先应用复功率守恒原理结合广义散射矩阵技术对圆波导中TM0n多模激励及选模的问题进行了严格的全波分析,得到了同轴探针的反射系数和圆波导中激励出的TM0n模归一化功率分布,并研究了不同频率下同轴探针长度对激励模式的影响。计算出探针激励的TM01模归一化功率最高时,所对应的探针长度。可以用适量网络分析仪测量出变换器反射系数S11并与模拟时的S11相对比较,发现两者结果基本一致。