一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器及其实现方法。本发明专利技术利用波纹喇叭能够产生高纯度的混合HE11模的特性以及天线互易的原理，设计了一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器；回旋管输出窗辐射出的不理想高斯波束经过第一波纹喇叭后，仅有单一的TE11模通过，TE11模经过第二波纹喇叭的模式转换产生纯度很高的混合HE11模，最终馈入过模波导传输线；本发明专利技术能够解决准光传输的高斯模不理想的问题，有效提高馈入传输线的高斯模纯度，进而实现太赫兹波的高效率传输。

【技术实现步骤摘要】
一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器及其实现方法
本专利技术涉及微波器件领域，具体涉及一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器及其实现方法。
技术介绍
作为太赫兹频段输出功率最大的辐射源之一，回旋管被广泛用作电子回旋加热(ECRH)、电子回旋诊断(ECD)以及医学动态核磁共振(DNP-NMR)等的太赫兹源。电子回旋脉塞器件是一种基于电子在纵向磁场中回旋谐振受激辐射机理的快波器件。随着太赫兹回旋管向高功率、高频率方向发展，为了提高腔体功率容量，减小欧姆损耗，回旋管的工作模式通常为高阶模式。在回旋管与应用装置之间往往存在一段较长的传输距离，而高阶模式在传输过程中存在严重的绕射和极化损耗，因此必须将其转化为有利于自由空间传输的高斯波束。目前采用最为广泛的方式是利用弗拉索夫发射器将回旋管中的高阶模转换为线性极化的高斯波束，然后将高斯波束耦合进过模波导，并激励起过模波导中的线性极化的HE11模。通常，弗拉索夫发射器辐射出的波束并不是理想的高斯波束，而过模波导传输线要求精准的激励模式，模式不纯会增大过模波导传输线的欧姆损耗，使输出端口波束的品质降低难以达到应用的标准。所以解决输入端高斯波束的整形及滤模问题，对实现太赫兹波的高效率高功率传输具有重要的实际意义。波纹喇叭是毫米波以及太赫兹频段理想的天线馈源，它能产生高纯度的混合HE11模。HE11模大约由85％的TE11模以及15％的TM11模构成,与自由空间传输的高斯模有98％的耦合效率。本专利技术利用波纹喇叭这一特性以及天线的互易原理，将两个完全相同的优化后的波纹喇叭背靠背连接在一起，可以实现对回旋管输出窗输出的不理想高斯波束的整形及滤模，使高斯波束能更好的耦合进入过模波导传输线，并最终到达应用装置。
技术实现思路
针对以上现有技术问题中存在的问题，本专利技术提出了一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器及其实现方法，用在回旋管至应用装置的传输电路中，解决准光传输的高斯模不纯的问题，进而实现对高斯波束的整形。本专利技术的一个目的在于提出一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器。本专利技术的具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器包括：第一波纹喇叭、过渡段波导和第二波纹喇叭；其中，第一波纹喇叭和第二波纹喇叭的结构完全相同；每一个波纹喇叭为在喇叭的内表面刻有多个间距相等的波纹槽；喇叭的曲面轮廓为sin2型；多个波纹槽互相平行，且与喇叭共轴；波纹槽的槽深随喇叭的半径变大而变小；喇叭中半径较大的端口为口面，半径较小的端口为背面；第一波纹喇叭与第二波纹喇叭背面相对，由过渡段波导相连接；过渡段波导的半径与波纹喇叭的背面半径相等；第一波纹喇叭的口面作为输入端，第二波纹喇叭的口面作为输出端；回旋管输出窗产生的纯度不高的混合高斯模经输入端进入第一波纹喇叭；第一波纹喇叭利用天线的互易原理，将纯度不高的混合高斯模转换成单一的TE11模；在第一波纹喇叭的内表面，波纹槽的槽深随喇叭的半径变小而变大，减小阻抗不匹配产生的反射；TE11模经过渡段波导馈入第二个波纹喇叭；第二个波纹喇叭将TE11模转换成高纯度的混合HE11模，并且在第二波纹喇叭的内表面，波纹槽的槽深随喇叭的半径变大而变小，减小阻抗不匹配产生的反射，从而实现对准光传输的混合高斯模的滤模；从输出端耦合进入后续的过模波导传输线中。本专利技术中，喇叭的曲面轮廓采用sin2型，其半径a(z)随距离z的表达式如下：其中，ai为喇叭的背面半径，ao为喇叭的口面半径，L为喇叭的长度。高斯波束滤模器的工作频率既可以是宽频带又可以是窄频带；对于窄频带fmax≤1.4fmin，中心频率fc满足：对于宽频带1.4fmin≤fmax≤2.4fmin，中心频率为1.1fmin≤fc≤1.3fmin，其中，fmin为工作频率的最小值，fmax为工作频率的最大值。光壁圆波导的基模为TE11模，它的截止波数为其中λ为光壁圆波导的工作波长，r为光壁圆波导半径。因此，喇叭的背面半径ai必须满足c为光速。一般情况下取为：喇叭的口面半径ao与过模波导的口径以及回旋管输出窗的大小一致，从而将系统连接在一起。波纹喇叭的波纹槽的槽深dj对一个波纹喇叭的辐射特性具有较大的影响，因此，在波纹喇叭设计中，波纹槽的槽深是要考虑的一个重要参数。在喇叭的半径为aj，槽深为dj处，波纹喇叭的内表面特性用表面电抗χj来表示，它的表达式为：其中，中心频率的波数λc为中心频率的波长，J1为1阶第一类Bessel函数，J1′为其导数，Y1为1阶第二类Bessel函数，Y1′为其导数。当||χj||→∞，HE11模为平衡混合状态，要满足此条件，必须使方程(2)式的分母为零或趋于无限小，即：J1′(kcaj)Y1[kc(aj+dj)]-Y1′(kcaj)J1[kc(aj+dj)]＝0(3)以上方程的解dj，一般情况下，近似取为已经证明将一个修正因子κ作用于就能得到一个更接近于理想值的解。例如，对于给定的kcaj，方程(3)的解为其中相邻波纹槽的距离p为对于窄频带波纹喇叭来说，p的取值一般靠近而对于宽频带来说，p的取值靠近时喇叭特性更好。波纹槽的宽度与相邻波纹槽的距离比δ的取值范围是：0.7≤δ≤0.9，它的取值对喇叭交叉极化特性有很大的影响。喇叭的长度L一般会影响辐射的侧瓣电平以及相位中心的稳定性，其最优值一般为调整过渡段波导的长度t，使得TE11模的反射系数最小。本专利技术的另一个目的在于提供一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器的实现方法。本专利技术的具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器的实现方法，包括以下步骤：1)喇叭的曲面轮廓采用sin2型，其半径a(z)随距离z的表达式如下：其中，ai为喇叭的背面半径，ao为喇叭的口面半径，L为喇叭的长度；2)高斯波束滤模器的工作频率为窄频带fmax≤1.4fmin，中心频率fc满足：或者，高斯波束滤模器的工作频率为宽频带1.4fmin≤fmax≤2.4fmin，中心频率为1.1fmin≤fc≤1.3fmin，其中，fmin为工作频率的最小值，fmax为工作频率的最大值；3)喇叭的背面半径ai满足c为光速；4)喇叭的口面半径ao与过模波导的口径以及回旋管输出窗的大小一致；5)波纹喇叭在半径为aj处的波纹槽的槽深dj满足其中，kc为中心频率的波数，λc为中心频率的波长；6)相邻的波纹槽的距离p满足其中，λc为中心频率的波长；7)波纹槽的宽度与相邻的波纹槽的距离的比δ的取值范围满足0.7≤δ≤0.9；8)喇叭的长度L为9)调整过渡段波导的长度t，使得TE11模的反射系数最小。本专利技术的优点：本专利技术利用波纹喇叭能够产生高纯度的混合HE11模的特性以及天线互易的原理，设计了一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器；回旋管输出窗辐射出的不理想高斯波束经过第一波纹喇叭后，仅有单一的TE11模通过，TE11模经过第二波纹喇叭的模式转换产生纯度很高的混合HE11模，最终馈入过模波导传输线；本专利技术能够解决准光传输的高斯模不理想的问题，有效提高馈入传输线的高斯模纯度，进而实现太赫兹波的高效率传输。附图说明图1为本专利技术的具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器的示意图；图2为本专利技术的具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器的一个实施例在输入端同时激励70％的TE11模以及30％的TM11模时两种模式的反射系数的曲线图；图3为本专利技术的具有对角喇叭结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器，其特征在于，所述高斯波束滤模器包括：第一波纹喇叭、过渡段波导和第二波纹喇叭；其中，所述第一波纹喇叭和第二波纹喇叭的结构完全相同；每一个波纹喇叭为在喇叭的内表面刻有多个间距相等的波纹槽；喇叭的曲面轮廓为sin

【技术特征摘要】
1.一种具有对角喇叭结构的高斯波束滤模器，其特征在于，所述高斯波束滤模器包括：第一波纹喇叭、过渡段波导和第二波纹喇叭；其中，所述第一波纹喇叭和第二波纹喇叭的结构完全相同；每一个波纹喇叭为在喇叭的内表面刻有多个间距相等的波纹槽；喇叭的曲面轮廓为sin2型；多个波纹槽互相平行，且与喇叭共轴；所述波纹槽的槽深随喇叭的半径变大而变小；喇叭中半径较大的端口为口面，半径较小的端口为背面；所述第一波纹喇叭与第二波纹喇叭背面相对，由过渡段波导相连接；所述过渡段波导的半径与波纹喇叭的背面半径相等；第一波纹喇叭的口面作为输入端，第二波纹喇叭的口面作为输出端；回旋管输出窗产生的纯度不高的混合高斯模经输入端进入第一波纹喇叭；第一波纹喇叭利用天线的互易原理，将纯度不高的混合高斯模转换成单一的TE11模；在第一波纹喇叭的内表面，波纹槽的槽深随喇叭的半径变小而变大，减小阻抗不匹配产生的反射；TE11模经过渡段波导馈入第二个波纹喇叭；第二个波纹喇叭将TE11模转换成高纯度的混合HE11模，并且在第二波纹喇叭的内表面，波纹槽的槽深随喇叭的半径变大而变小，减小阻抗不匹配产生的反射，从而实现对准光传输的混合高斯模的滤模；从输出端耦合进入后续的过模波导传输线中。2.如权利要求1所述的高斯波束滤模器，其特征在于，所述喇叭的曲面轮廓采用sin2型，其半径a(z)随距离z的表达式如下：其中，ai为喇叭的背面半径，ao为喇叭的口面半径，L为喇叭的长度。3.如权利要求1所述的高斯波束滤模器，其特征在于，所述高斯波束滤模器的工作频率为窄频带或者宽频带；高斯波束滤模器的工作频率为窄频带fmax≤1.4fmin，中心频率fc满足：或者，高斯波束滤模器的工作频率为宽频带1.4fmin≤fmax≤2.4fmin，中心频率为1.1fmin≤fc≤1.3fmin，其中，fmin为工作频率的最小值，fmax为工作频率的最大值。4.如权利要求1所述的高斯波束...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲鸿，刘濮鲲，杜朝海，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11