Applied Physics Frontier November 2013, Volume 1, Issue 4, PP.50-53
Design of TE11-HE11 Mode Converter for Gyroklystron Xinhua Yu1,2†, Xi Gao 1,2, Yannan Jiang1,2,Weiping Cao1,2, Simin Li1,2, Xinjian Niu 3 1. Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing (Guilin University of Electronic Technology), Ministry of Education, Guilin 541004, China 2. Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory, Shijazhuang 050081, China 3. School of Physical Electronics, University of Electronics Science and Technology of China, Chengdu 610054, China †Email:
yusilian@126.com
Abstract We design a corrugated circular mode converter from TE11 to HE11 mode based on the complex power conservation technique. Numerical simulation shows that the conversion reaches to 98.8% at center frequency 30.5 GHz and the relative operating bandwidth is 2.7%. Experiment demonstrates its excellent operation performance. Compared with the other methods, the presented method has the advantages of minimum memory consumption, high accuracy and speed. Keywords: High Power; Gyroklystron; Mode Converter; Complex Power Conservation
回旋速调管 TE11-HE11 模式变换器设计* 于新华 1,2，高喜 1,2，姜彦南 1,2，曹卫平 1,2，李思敏 1,2，牛新建 3 1. 认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室（桂林电子科技大学），广西 桂林 541004 2. 通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081 3. 电子科技大学物理电子学院，四川 成都 610054 摘 要：基于复功率守恒技术编制了分析内壁刻槽 TE11-HE11 圆波导模式变换器数值计算程序；采用该程序为工作频率 为 30.5GHz 的高功率回旋速调管设计了一半径为 16mm 的 TE11-HE11 模式变换器。计算表明该变换器在 2.7%的带宽内 转换效率在 98.8%以上，实验结果表明该变换器性能良好。相对于其他设计技术，该技术具有占用计算机内存极小、分 析速度快和精度高的优点。 关键词：高功率；回旋速调管；模式变换；复功率守恒
引言 高功率回旋速调管具有高功率、高效率和高稳定性等优点，因而在粒子加速、可控热核聚变等离子体 加热和工业微波加热与处理等场合占据主导地位 [1-5]。但是，其产生的电磁模式通常为不是可以直接应用的 TE0n（n 为非零整数）模式[3-5]，因为它们的辐射方向图为是空心圆锥状。HE11 模式的辐射方向图呈高斯分 布状，因而可直接应用于需要微波功率的场合。因此，输出模式为 TE0n 模式的回旋速调管通常需要外接模 式变换器将 TE0n 模式转换为 HE11 模式[4,5]。回旋速调管外接的模式变换器一种可行的变换序列为：TE0n— TE01—TE11—HE11。在此变换序列中，TE11-HE11 模式变换可通过槽深从四分之一渐变至二分之一的壁刻槽 *
基金资助：受国家自然科学基金项目（61161002,61001020） ；广西自然科学基金项目（2012GXNSFAA053233，2011GxNSF B018064） ；通信网信息传输与分发技术重点实验室开放课题项目（ITD-U1300x/K13600xx）；广西信息科学实验中心资助项目 （20130330，20130306）资助。 - 50 http://www.ivypub.org/apf/
圆波导来实现[4]。由于该模式变换器壁上有突变，因而不能用求解耦合波微分方程求解其中的电磁波行为。 分析波导不连续处电磁场的方法之一是复功率守恒法。复功率守恒法的主要优点在于能考虑高次模的产生 及其相互影响以及凋落的 TE、TM 模式对总的电磁场的贡献，在分析具有规则几何结构的微波器件时精度 高，速度快。现在常见的方法是采用传统的等效电路近似法或电磁场商用仿真软件，这些方法要么很难满 足高精度、高指标的需要，要么在分析电大尺寸结构时耗时太长。本文采用复功率守恒技术来设计 30.5GHz 的 TE11-HE11 模式变换器。
复功率守恒技术求解波导不连续电磁场问题的方法[6]
1
如图 1 所示，圆波导 1 和圆波导 2 在 AA＇处形成突变结构。两侧的区域分别用 1 和 2 表示，这两个区 ### 域中的入射波（朝向突变面）的模式幅值分别用 a 和 b 表示，散射波（背向突变面）的模式幅值分别用 a 10
和 b 表示，左边波导的入射功率为 P1，右边波导出射功率为 P2。
A
8
-
Y Axis Title
b 6
4
a+ Guide 1 P1 a-
P2 o
Guide 2
z
+
b
'
A
2
图 1 圆波导突变结构示意图 0
0 2 将突变结构两侧的横向电磁场可以表示为
4
6
8
10
X Axis Title
在 z=0-处
Et1 am am e1m , H t1 (am am )Y1m z e1m m
(1)
m
在 z=0+处 Et 2 an an e2 n , H t 2 (an an )Y2n z e2n n
(2)
n
以上各式中，“+”，“-”分别表示入射波和反射波。矢量函数 e1m , e2 n 分别表示波导 1 和波导 2 中的 TE 或者 TM 模的横向电场。应用电场在边界满足的连续性条件以及在边界处复功率守恒，即 P1=P2 的条 件，可以得到波导连接处的广义散射矩阵 a [ S11 ]a [ S12 ]b = b [ S21 ]a [S22 ]b
(3)
其中， a ， b 分别表示第 n 个和第 m 个元素分别为 an 和 bm 的列矩阵，且 [ S11 ] ([YL1 ] [Y1 ]) 1 ([Y1 ] [YL1 ]) [ S21 ] ([ M ] [ I ])([ S11 ]) [ S12 ] 2([Y1 ] [YL1 ]) 1[ M ]T [Y2 ] [ S22 ] [ M ][ S12 ] [ I ]
(4)
[YL1 ] [M ]T [Y2 ](M )
(5)
（4）式中
以上各式中， [Y1 ] ， [Y2 ] 分别为波导 1 和波导 2 中的模式导纳， [ M ] 为接头处的匹配矩阵，其第 m 行 n 列元 素为 - 51 http://www.ivypub.org/apf/
M mn e2m e1*n ds
(6)
S0
其中， S0 为突变处半径较小波导的横截面。求解(4)，(5)和(6)式就可以得到代表波导中模式耦合情况的 单级 S 参数矩阵[S]。 如果要计算多个以上类似的突变结构的 S 参数矩阵，只需将将任意多级 S 参数矩阵及相邻突变结构间 的均匀波导结构的传输参数矩阵相互级联,计算出包含整个结构的参数矩阵即可。此传输参数矩阵为一元素 为 e l 的对角阵，其中的第 n 个元素表示第 n 个模式电磁波传输距离 l ，即波从一个突变结构处传播到下一 个突变结构处时所发生的相位和幅度的改变。无损耗时， n j n l ，其中 n 为均匀波导中第 n 个模式电磁 波的传播常数。
2
数值计算及结果 所研究的 30.5GHz 模式变换器结构为一内壁刻槽圆波导，其内壁（内壁半径为 16mm）上的槽深从二分
之一工作波长线性渐变为四分之一工作波长。很显然设计这样的模式变换器实际上就是找到一个最短（最 佳）长度，使得 TE11 转换为 HE11 的效率最高的同时还要具有较好的模式转换带宽。 按照以上算法编写了计算该变换器的程序。以该变换器长度为优化变量，以最佳转换效率（兼顾带 宽、输出模式中 TE11、TM11 比例因素）为优化目标，进行了优化计算。结果如下图 2 所示。由图 2（a）知 在输出端口处 TE11、TM11 功率比例为 83.938%和 15.38%，即 HE11 转换率为 99.4%。由图 2（b）知 HE11 转 换率在 99%以上的带宽约为 2.6%。需要指出的是，该算法只需要 3 秒就可以完成一次优化计算。 1.0 1.0
0.8
Relative power
TE11
0.8
Relative power
TE11+TM11
0.9
0.6 f=30.5GHz 0.4 0.2
TE11
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
TM11
0.0 0
20
40
60
80
TM11
0.2 100 120 140 160
0.1 28.0
28.5
29.0
z/mm (a)
29.5 30.0 f/GHz
30.5
31.0
(b)
图 2 TE11 和 TM11 模式相对功率沿波导轴线的分布（a） 输出端口处 HE11 模式对功率的扫频曲线(b)
3
实验 我们将所设计模式变换器装到输出为 TE11 的回旋速调管上（前期我们已经设计了外接模式变换器，使
得 30.5GHz 回旋速调管的输出为 TE11 模式），热测得到 TE11-HE11 模式变换器所产生的烧斑，见图 3。烧斑 显示所设计的模式变换器输出了良好的 HE11 模式。
图 3 热测得到的烧斑 - 52 http://www.ivypub.org/apf/
4
结论 运用复功率守恒技术设计了 TE11-HE11 模式变换器。分析表明，在 30.5GHz 和 2.6%的带宽内该模式变
换器可实现 90%以上的模式转换效率。实验证明，所设计的模式变换器可以有效地实现 TE01 模式到 HE11 模 式的转换。此结论可为 8mm 回旋管外接模式变换器设计提供参考。
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J. D. Wade and R. H. Macphie. Conservation of complex power technique for waveguide junctions with finite wall conductivity [J]. IEEE Trans. On Microwave and Techniques, 1990, 38(4): 373-378
【作者简介】 1
于新华（1969-），男，汉族，博士，
2
高喜（1973-），男，汉族，博士，副教授，主要研究方向
副教授，主要研究方向为微波传输线，
为天线设计、微波毫米波器件，2006.7 和 2010.7 分别获电子
2006.7 和 2010.7 分别获电子科技大学等
科技大学光学硕士学位和光学博士学位。
离子体物理硕士学位和物理电子学博士
Email: gao_xi76@163.com
学位。Email: yusilian@126.com
3
姜彦南（1980-），男，汉族，博士，副教授，研究方向，
计算电磁学、电磁辐射与散射、天线设计，2009.7 获得西安 电子科技大学无线电物理博士学位。 Email: 47918247@qq.com
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