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高功率TM01在线选模耦合装置设计

张立刚 谭维兵 李小泽 朱晓欣 胡祥刚

张立刚, 谭维兵, 李小泽, 等. 高功率TM01在线选模耦合装置设计[J]. 强激光与粒子束, 2025, 37: 013006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240159
引用本文: 张立刚, 谭维兵, 李小泽, 等. 高功率TM01在线选模耦合装置设计[J]. 强激光与粒子束, 2025, 37: 013006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240159
Zhang Ligang, Tan Weibing, Li Xiaoze, et al. Design of high-power TM01 online mode selection coupling device[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2025, 37: 013006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240159
Citation: Zhang Ligang, Tan Weibing, Li Xiaoze, et al. Design of high-power TM01 online mode selection coupling device[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2025, 37: 013006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240159

高功率TM01在线选模耦合装置设计

doi: 10.11884/HPLPB202537.240159
基金项目: 国家自然科学基金项目(12175182);国家高技术发展计划项目
详细信息
    作者简介:

    张立刚,yihui2119@163.com

  • 中图分类号: O532

Design of high-power TM01 online mode selection coupling device

  • 摘要: 针对传统高功率微波在线测量装置寄生模式抑制度低、测量精度易受到寄生模式干扰的问题,提出了一种高功率TM01模式选模耦合装置。由于相对论返波管阴极发射角向不均匀性会产生非对称模式,而传统的单臂多孔圆波导耦合器无法解决其他非对称模寄生耦合干扰的问题,往往导致检测波形畸变、耦合度判断偏差,严重影响对返波管TM01模输出功率在线评估的准确性。为此,将四臂多孔耦合结构与基于魔T的TM01选模网络相结合,提出了一种新颖的在线选模耦合装置,利用不同波导模式场结构区别实现了TM01模式与其他寄生模式的差异化耦合,解决了因寄生模式干扰引起的在线测试功率不准的问题。仿真结果表明,提出的新型耦合器对TM01模耦合强度相对于其他模式高出20 dB以上,高功率实验中测得在线测试波形及功率与辐射场测试波形及功率符合较好,耦合稳定性得到明显提高。
  • 图  1  TM01选模耦合器的结构和工作原理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the TM01 mode selection coupler and its working principle

    图  2  圆波导中TM01模式和TE11模式的横向电场分布

    Figure  2.  Cross-sectional E-field of TM01 mode and TE11 mode in circular waveguide

    图  3  单臂四孔圆波导耦合器的结构示意图

    Figure  3.  Simulation model for the single-arm four-aperture directional coupler

    图  4  耦合器的耦合度、隔离度随耦合孔数变化

    Figure  4.  Coupling degree and directivity of coupler vary with the number of coupling apertures

    图  5  单臂四孔圆波导耦合器耦合度曲线

    Figure  5.  Result of simulation of single-arm four-aperture coupler

    图  6  魔T合成网络图

    Figure  6.  Magic T network

    图  7  魔T网络仿真结果

    Figure  7.  Simulation results of magic T network

    图  8  耦合器中各个模式的耦合度

    Figure  8.  Coupling degree of each mode in the coupler

    图  9  耦合器的电场分布

    Figure  9.  E-field distribution of the coupler at 16 GHz

    图  10  选模耦合器实物及耦合度测量原理图

    Figure  10.  Image and coupling measurement schematic of fabricated mode selector coupler

    图  11  不同模式耦合度测量实物图

    Figure  11.  Measurement setup of coupling about different modes

    图  12  选模耦合器标定曲线

    Figure  12.  Calibration curve of mode selector coupler

    图  13  实验系统照片

    Figure  13.  Setup of HPM test

    图  14  典型实验检测波形

    Figure  14.  Typical measured waveforms of the generated microwave

    表  1  圆波导中传输微波模式

    Table  1.   Transmission modes in diameter 30 mm circular waveguide

    mode number
    TE11 2
    TM01 1
    TE21 2
    TE01 1
    TM11 2
    TE31 2
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    表  2  TM01、TE11分别输入时各端口对应微波幅值

    Table  2.   Complex amplitude of the different ports of TM01 and TE11 modes

    port TM01 amplitude TE11 amplitude
    1 Em1 ${E_{{\rm{m}}2}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\varphi _1}}}$
    2 Em1 ${E_{{\rm{m}}3}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\varphi _2}}}$
    3 Em1 $ - {E_{{\rm{m}}2}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\varphi _1}}}$
    4 Em1 $ - {E_{{\rm{m}}3}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\varphi _2}}}$
    9 0 ${E_{{\rm{m}}2}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\varphi _1}}} - {E_{{\rm{m}}3}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\varphi _2}}}$
    10 2Em1 0
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    表  3  单臂四孔耦合器的尺寸参数

    Table  3.   Dimensional parameters of the single-arm four-aperture coupler

    D/mm R1/mm R2/mm L/mm R/mm T/mm
    30 1.7 2 6.8 1 5.4
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    表  4  双臂耦合器和选模耦合器在不同方位测试功率差异

    Table  4.   Test power difference between two-arm coupler and mode-selective coupler in different directions

    directions test power difference of two-arm coupler/dB test power difference of mode-selective coupler/dB
    east to west 0.02 (arm1/arm2) −0.10
    down to up −0.26 (arm1/arm2) −0.08
    west to east −0.13 (arm2/arm1) −0.05
    up to down 0.49 (arm2/arm1) −0.13
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-06
  • 修回日期:  2024-11-06
  • 录用日期:  2024-11-11
  • 网络出版日期:  2024-11-15
  • 刊出日期:  2025-12-13

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