[发明专利]一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法

摘要

本发明提供了一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法。该方法将慢波高功率微波源输出的任意功率比例的TM₀₁、TM₀₂混合模式纯化为单一的TM₀₁模式，并且保持输出功率不变。利用了相位调节圆波导的相位调节功能和不完全模式转换器的模式转换功能，使得在不完全模式转换器中TM₀₂模式的功率相干消除而TM₀₁模式的功率相干增长，从而实现模式纯化。实现了将慢波高功率微波源输出波导内的任意功率比例的TM₀₁、TM₀₂混合模式纯化为纯化模式输出波导内的单一的TM₀₁模式且保持输出功率不变的目的。

主权项

1.一种慢波高功率微波源的输出模式纯化方法，将慢波高功率微波源输出的任意功率比例的TM₀₁、TM₀₂混合模式纯化为单一的TM₀₁模式，并且保持输出功率不变，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据慢波高功率微波源的功率输出波导内的TM₀₁、TM₀₂模式的功率比例，选择慢波高功率微波源的输出模式纯化系统的搭建方案，具体步骤如下：步骤1-1. 确定慢波高功率微波源的功率输出波导内的TM₀₁、TM₀₂模式的功率比例为,其中，、分别为慢波高功率微波源的功率输出波导8内的TM₀₁、TM₀₂模式的功率；步骤1-2. 搭建慢波高功率微波源的输出模式纯化系统Ⅰ及Ⅱ：当大于等于15时，搭建由慢波高功率微波源的功率输出波导端口9顺序连接相位调节圆波导10、锥波导型不完全模式转换器11和纯化模式输出波导Ⅰ12构成的纯化系统Ⅰ；当大于等于15或小于15时，搭建由慢波高功率微波源的功率输出波导端口9顺序连接相位调节圆波导10、半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器13和纯化模式输出波导Ⅱ14构成的纯化系统Ⅱ；步骤二、确定上述两种纯化系统中的不完全模式转换器的结构参数，具体步骤如下：步骤2-1. 上述两种纯化系统中的不完全模式转换器将TM₀₂模式部分转化为TM₀₁模式的模式转换系数的幅值均为，其中：为不完全模式转化器将TM₀₂模式部分转化为TM₀₁模式的模式转化系数，的值如步骤1-1 所述；步骤2-2. 确定不完全模式转换器的结构参数，使其模式转换系数满足步骤2-1的要求，并且功率反射小于20dB；锥波导型不完全模式转换器11，其上、下游半径分别为R_t1、R_t2，轴向长度为L_t；R_t1固定为慢波高功率微波源的功率输出波导8的半径R₀；R_t2大于R_t1，且R_t2与工作微波波长λ的关系为：0.88λ < R_t2 < 1.38λ；L_t与工作微波波长λ的关系为L_t > 2λ； 半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器13的半径R(z)变化的规律为，其中：为该半径周期渐变圆波导型不完全模式转换器的最小半径，固定为慢波高功率微波源的功率输出波导8的半径R₀；周期长度，为TM₀₁、TM₀₂模式在半径R_c的圆导中的拍波波长，这里，、分别为TM₀₁、TM₀₂模式在半径R_c的波导中的轴向波数；ε表示半径扰动的大小，其满足0 < ε < 1；周期数N取1到4之间的整数； 步骤三、根据慢波高功率微波源的功率输出波导端口9上的TM₀₁、TM₀₂模式的相位，以及步骤二中所设计的不完全模式转换器对TM₀₁、TM₀₂模式的相移，设计相位调节圆波导10，具体步骤如下：步骤3-1. 确定相位调节圆波导10所要实现的对TM₀₁、TM₀₂模式的相移之差为，其中：、分别为相位条件圆波导对TM₀₁、TM₀₂模式的相移；、分别为慢波高功率微波源输出波导端口9上TM₀₁、TM₀₂模式的相位；为TM₀₁模式经按照步骤二设计的不完全模式转换器传输时的相移；为TM₀₂模式经按照步骤二设计的不完全模式转换器部分转换为TM₀₁模式时的相移；是使(-)为正数的最小整数；步骤3-2. 根据步骤3-1.确定的相移差(-)，确定相位调节圆波导10的结构参数：半径R^*固定为慢波高功率微波源的功率输出波导的半径R₀；长度L^*为，其中：(-)的值如步骤3-1.所述；β₁、β₂的值如步骤2-2.所述。