基于毫米波準(zhǔn)光模式傳輸和變換理論，詳細(xì)研究了準(zhǔn)光模式激勵(lì)器通過(guò)波紋喇叭天線(xiàn)、準(zhǔn)拋物柱面反射器和同軸開(kāi)放式諧振腔激勵(lì)圓極化高階目標(biāo)模式的原理。分析了W 波段波紋喇叭天線(xiàn)產(chǎn)生準(zhǔn)高斯模式HE11的過(guò)程；利用幾何射線(xiàn)法研究了準(zhǔn)拋物反射面天線(xiàn)作為腔體輻射饋源的設(shè)計(jì)方法；通過(guò)小孔耦合理論研究了側(cè)壁開(kāi)孔的三段式同軸諧振腔激勵(lì)高階模式的機(jī)理。同時(shí)，該文還優(yōu)化設(shè)計(jì)了工作模式為T(mén)E62模，工作中心頻率為94. 8 GHz 的準(zhǔn)光模式激勵(lì)器，使用三維電磁仿真軟件FEKO 仿真計(jì)算結(jié)果表明該模式激勵(lì)器在94 ～ 96 GHz 頻率范圍內(nèi)目標(biāo)模式的純度超過(guò)95%，系統(tǒng)效率達(dá)到34%。

　　回旋管作為一種新型的電真空器件，在熱核聚變控制、高功率電磁加熱和毫米波雷達(dá)等方面有非常重要的應(yīng)用。為了提高回旋管功率容量常使其工作在高階邊廊�；蚋唠A體模，由于這種高階模式不方便直接傳輸和使用，因此需要借助準(zhǔn)光模式變換器將其轉(zhuǎn)化為低階模式( 如TEM00或HE11) 。為了對(duì)準(zhǔn)光模式變換器進(jìn)行測(cè)試，需要設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生高純度圓極化的高階目標(biāo)模式的激勵(lì)器來(lái)模擬回旋管的高階模式輸出。國(guó)外學(xué)者對(duì)于這種測(cè)試技術(shù)( 稱(chēng)為冷測(cè)或低功率測(cè)量) 進(jìn)行了深入的研究。Aleksandrov 首先提出了準(zhǔn)光模式激勵(lì)器的設(shè)計(jì)方法，他使用準(zhǔn)光反射器將高斯波束饋入一個(gè)帶有耦合小孔陣列的開(kāi)放諧振腔，通過(guò)諧振腔的激勵(lì)產(chǎn)生圓極化的目標(biāo)模式；隨后，他又提出使用同軸諧振腔來(lái)解決模式競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了工作頻率為118 GHz，工作模式為T(mén)E22，6的模式激勵(lì)器。Castro 等在詳細(xì)研究開(kāi)放諧振腔Q 值的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了10 GHz，TE02的模式激勵(lì)器。Pereyaslavets等在Densiov 和Vlasov 對(duì)準(zhǔn)光反射器研究的基礎(chǔ)上詳細(xì)研究了帶有小孔陣列的開(kāi)放諧振腔的耦合原理，并設(shè)計(jì)了140 GHz，TE76，2的模式激勵(lì)器，將準(zhǔn)光模式激勵(lì)法的效率從2% 提高到22%。Arnold 等設(shè)計(jì)了140 GHz，TE28，8的模式激勵(lì)器;隨后，他們改善方案實(shí)現(xiàn)了在105 ～ 150 GHz 的連續(xù)波段和9 個(gè)不同的工作模式下都得到了較高的模式純度。國(guó)內(nèi)對(duì)于準(zhǔn)光技術(shù)的研究起步較晚，這種準(zhǔn)光模式激勵(lì)器的研究少有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

　　本文在國(guó)外學(xué)者對(duì)準(zhǔn)光模式激勵(lì)器研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了將低功率信號(hào)源輸出的微波功率饋入波紋喇叭天線(xiàn)產(chǎn)生高斯波束，并將高斯波束饋入帶有小孔陣列的同軸開(kāi)放腔激勵(lì)目標(biāo)模式的過(guò)程。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了工作模式為T(mén)E62的W 波段準(zhǔn)光模式激勵(lì)器，模式純度95%以上的帶寬達(dá)到2 GHz。

　　本文的工作為回旋管冷測(cè)用模式激勵(lì)器的研究提供了理論依據(jù)和仿真設(shè)計(jì)方法，有助于推動(dòng)更高階工作模式的回旋管和毫米波準(zhǔn)光器件的研究。

1、準(zhǔn)光模式激勵(lì)

　　工作于高階模式的回旋管采用內(nèi)置準(zhǔn)光模式變換器作為輸出結(jié)構(gòu)，其在安裝之前需要采用模式激勵(lì)器激勵(lì)高階模式對(duì)其進(jìn)行冷測(cè)。冷測(cè)中一般采用固態(tài)微波源如信號(hào)發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等產(chǎn)生微波信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)饋入到模式激勵(lì)器并激勵(lì)所需要的高階模式，這種被激勵(lì)起的高階目標(biāo)模式就作為待測(cè)準(zhǔn)光模式變換器的輸入信號(hào)。利用模式激勵(lì)器對(duì)回旋管輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷測(cè)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。準(zhǔn)光模式激勵(lì)器系統(tǒng)主要由波紋喇叭天線(xiàn)( H1) 、曲面反射器( M0) 和開(kāi)放式諧振腔三部分組成。信號(hào)源輸出特定頻率的微波信號(hào)饋入波紋喇叭天線(xiàn)，輻射出準(zhǔn)高斯平面波，利用拋物柱面反射器的聚焦作用將平面波耦合進(jìn)諧振腔，通過(guò)諧振腔的選模特性激勵(lì)起所需要的高階模式。

圖1 準(zhǔn)光模式變換器冷測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

3、結(jié)論

　　本文從毫米波系統(tǒng)準(zhǔn)光傳輸理論出發(fā)，詳細(xì)研究了使用波紋喇叭作為初級(jí)饋源，利用準(zhǔn)拋物面反射器將高斯波束反射饋入帶有側(cè)壁開(kāi)孔的三段式同軸開(kāi)放式諧振腔激勵(lì)高階模式的原理；優(yōu)化設(shè)計(jì)了工作于3 mm 波段的喇叭天線(xiàn)，其增益達(dá)到20 dB 并且輻射準(zhǔn)高斯模式HE11；通過(guò)對(duì)天線(xiàn)和反射面系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算給出了諧振腔的位置，最后對(duì)準(zhǔn)光模式激勵(lì)器系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真計(jì)算和位置優(yōu)化，結(jié)果表明該模式激勵(lì)器輸出的圓極化TE62模式純度在95%以上，工作帶寬為2 GHz，系統(tǒng)效率達(dá)到34%。