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第1篇一、矩形波导的模式分类矩形波导中的电磁波模式主要分为TE（横电磁波）模式和TM（纵电磁波）模式。
1. TE模式TE模式是指电场只在波导的横向（垂直于传播方向）分量存在，而磁场则在纵向（沿传播方向）分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布，TE模式又可以分为TE10、TE20、TE01等模式。
（1）TE10模式：TE10模式是矩形波导中最基本、最常用的模式。
其电场分布呈矩形，磁场分布呈椭圆。
TE10模式的截止频率最高，适用于高频传输。
（2）TE20模式：TE20模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈圆形。
其截止频率低于TE10模式，适用于中频传输。
（3）TE01模式：TE01模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈椭圆。
其截止频率最低，适用于低频传输。
2. TM模式TM模式是指磁场只在波导的横向分量存在，而电场则在纵向分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布，TM模式又可以分为TM01、TM11、TM21等模式。
（1）TM01模式：TM01模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈圆形。
其截止频率最高，适用于高频传输。
（2）TM11模式：TM11模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈椭圆。
其截止频率低于TM01模式，适用于中频传输。
（3）TM21模式：TM21模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈圆形。
其截止频率最低，适用于低频传输。
二、矩形波导的模式特性1. 截止频率截止频率是矩形波导中一个重要的参数，它决定了电磁波在波导中能否有效传输。
不同模式的截止频率不同，其中TE10模式的截止频率最高，适用于高频传输。
2. 相速度相速度是指电磁波在波导中传播的速度。
不同模式的相速度不同，TE模式的相速度比TM模式快。
3. 模式损耗模式损耗是指电磁波在波导中传播时，由于波导壁的吸收和辐射等原因，能量逐渐衰减的现象。
不同模式的损耗不同，TE模式的损耗比TM模式小。
4. 传输特性矩形波导中不同模式的传输特性不同，如TE模式的传输特性较好，适用于高频传输；TM模式的传输特性较差，适用于低频传输。
径向双层介质加载圆波导的宽带TE_(11)-HE_(11)模式变换器张信歌;李少甫;靳赛赛;张珂瑜;孙洪卫;夏祖学【期刊名称】《固体电子学研究与进展》【年(卷),期】2015(0)6【摘要】应用径向双层介质加载圆波导内可以产生混合模HE11模式的原理,提出一种径向双层介质加载圆波导的宽带TE11-HE11模式变换器。
在X波段分析了该变换器内微波模式满足的麦克斯韦方程和边界条件,推导出HE11模式的特征方程及混合方程,最后将特征方程与混合方程联立,应用MATLAB软件进行数值求解得到物理模型的设计参数曲线。
应用HFSS软件对设计的模式变换器进行模拟优化仿真,结果显示在8.4010.16GHz频带内输出HE11模式纯度大于96%,最大为99.59%,相对带宽可达18.7%,理论功率容量达3.3GW。
该圆波导TE11-HE11模式变换器具有结构简单、输入输出共轴、转换效率高、转换频带宽、功率容量高等优点,应用于微波辐射系统可以极大地提高辐射系统的紧凑性。
【总页数】6页(P554-559)【关键词】圆波导;径向双层介质;特征方程;模式变换器;TE11模;HE11模【作者】张信歌;李少甫;靳赛赛;张珂瑜;孙洪卫;夏祖学【作者单位】西南科技大学信息工程学院【正文语种】中文【中图分类】TN814;TN624【相关文献】1.径向双层介质加载圆波导的TE11-HE11模式转换天线 [J], 张信歌;李少甫;张珂瑜2.圆波导TE_(11)模和TE_(21)模的极化匹配 [J], 章日荣;邸英杰;李渠塘3.220GHz回旋管圆波导TE_(03)-TE_(11)模式变换分析 [J], 陈浩;鄢扬;袁学松4.渐变结构TE_(11)~0-TE_(11)^({})模式变换器 [J], 黄学军;娄维鸿;马江镭;杨鸿生5.介质填充圆波导中TM_(01)-TE_(11)模式变换的理论和实验研究 [J], 唐世荣;杨梓强;兰峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
学校代码：10385分类号：学号：密级：学士学位论文同轴——波导转换器的设计Design of coaxial to waveguide transducer作者姓名：指导教师：学科：研究方向：电磁场与微波技术所在学院：信息科学与工程学院论文提交日期：二零一四年五月二十日华侨大学学士学位论文摘要同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。
基于脊波导和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种结构应用在8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。
通过同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。
阻抗变换是为了消除带内不良反射，以获得良好匹配的一种微波器件，广泛用于微波电路和天线馈电系统中。
其结构上大致分为阶梯式和渐变式。
前者能够比后者获得更好的带内波纹系数和更短的长度。
对阶梯阻抗变换器的设计，主要分为传统设计方法和优化设计方法。
本文的仿真结果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.25，产生的高次模非常小。
关键词：同轴—波导转换脊波导波导阶梯阻抗变换IAbstractCoaxial-waveguide transition plays an important role in microwave system.Based on the influence of ridge waveguide and waveguide ladder exerted on transmission performance of electromagnetic wave in guided wave system, this paper discussed the situations of these two structures applied in the 8-18GHz broadband coaxial-waveguide converter designation. Through the conversion of coaxial-ridge waveguide-rectangular waveguide, and ladder loading of ridge waveguide, the effectiveness of impedance matching is well improved,and the transmission of coaxial-waveguide converter is highly advanced. Impedance transformation is to eliminate in-band bad reflection, in order to obtain a good matching microwave devices, widely used in microwave circuit and antenna feed system. Its structure is largely divided into stepwise and gradual type. The former can be better than the latter in-band ripple coefficient and the shorter length. The design of stepped impedance converter, mainly divides into the traditional design method and optimization design method.Simulation results proved the effectiveness of ridge waveguide and waveguide ladder in designing coaxial- waveguide converters.The VSWR of coaxial-waveguide transition designed in this paper is less than 1.25 in the 8-18 GHz octave bandwidth, and the high modulus produced is very small.Key words：Coaxial-waveguide transition Ridge waveguide Waveguide ladder impedance transformationII目录摘要 (I)Abstract ............................................................ I I 第1章绪论 (1)1.1 同轴—波导转换器的设计背景 (1)1.2 国内外研究动态 (2)1.3 论文的研究内容和创新 (3)1.3.1 论文的研究目地和意义 (3)1.3.2 论文的主要工作和创新 (3)第2章同轴—波导转换器理论分析 (4)2.1 同轴—波导转换器的介绍 (4)2.2 同轴—波导转换器的原理 (4)2.2.1 波导的设计原理 (4)2.2.2 脊型波导器件的设计原理与优势 (10)2.2.3 阶梯阻抗变换基本原理 (14)2.3 同轴—波导转换器的性能参数介绍 (17)2.3.1 输入驻波比 (17)2.3.2 频率范围 (17)2.3.3 插入损耗 (17)2.3.4 S参数 (17)2.3.5 电压驻波比 (18)第3章同轴—波导转换器的仿真设计 (19)3.1 HFSS 软件的介绍 (19)3.2 设计指标 (20)3.3 各类同轴—波导转换器的优化设计 (20)3.3.1 普通同轴－波导转换器 (20)3.3.2 宽带同轴－脊波导转换器 (24)3.3.3 优化后的同轴－脊波导转换器 (26)III华侨大学学士学位论文3.4各类同轴—波导转换器的性能比较 (28)第4章总结 (35)参考文献 (36)致谢 (38)附录 (39)I V第1章绪论第1章绪论1.1 同轴—波导转换器的设计背景在现代卫星通讯、干扰与抗干扰等高科技领域，高频率、宽频带电子系统的发展日新月异。
回旋速调管TE01-HE11模式变换器牛新建;顾玲;于新华;李宏福【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2011(039)008【摘要】根据耦合波理论,编制了优化计算程序,优化了30.5GHz TE01-TE11模式变换器的几何结构,得到了其可实现最高模式变换效率的几何参量.用仿真软件优化设计了同一工作频率的TE11-HE11模式变换器.结果表明这两个模式变换器组成的TE01 -HE11复合模式变换器在30.5GHz和1％带宽内具有97.0％以上的TE01-HE11模式转化效率.测试表明该复合模式变换器具有良好的模式变换性能.%Geometry configuration of a 30.5GHz TE01-TE11 mode converter for Gyroklystron is obtained to realize optimal mode conversion by a code written based on the mode coupling theory,and a 30.5GHz TE11-HE11 mode converter is designed by High frequency Structure Simulator (HFSS). Results show that complex TE11-HE11 mode converter consisting of the two converters has a transforming efficiency of over 97% within bandwidth of 1% at frequency 30.5GHz. Test indicates that the complex mode converter acts very well in conversion of TE11 to HE11, mode.【总页数】3页(P1947-1949)【作者】牛新建;顾玲;于新华;李宏福【作者单位】电子科技大学物理电子学院,四川成都610054;西南民族大学计算机科学与技术学院,四川成都610041;电子科技大学物理电子学院,四川成都610054;电子科技大学物理电子学院,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN811.7【相关文献】1.一种使用TE11为过渡模的TE01-HE11模式变换器设计 [J], 付晨阳;廖永波;何宇臻;于新华;牛新建2.高功率速调管TE11-HE11模式变换器的设计及实验验证 [J], 于新华;高喜;姜彦南;曹卫平;李思敏;牛新建3.回旋速调管变周期TE01-TE11模式变换器 [J], 于新华;牛新建;姜彦南4.0.42 THz-TE17,4回旋管高效准光模式变换器 [J], 王维;宋韬;刘頔威;刘盛纲5.双频回旋管内置准光模式变换器设计 [J], 黄麒力; 孙迪敏; 马国武; 胡林林; 卓婷婷因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
径向双层介质加载圆波导的TE11-HE11模式转换天线张信歌;李少甫;张珂瑜【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2015(27)12【摘要】介绍了径向双层介质加载圆波导的TE11-HE11模式转换天线的设计原理、实验方法及结果.该模式转换天线由圆波导TE11-HE11模式转换器和辐射器组成:圆波导TE11-HE11模式转换器是在圆波导内沿径向加载两种不同介电常数的微波介质来完成模式转换,辐射器采用开口圆波导或小张角圆锥喇叭将HE11模辐射出去.应用HFSS软件对设计的两种模式转换天线进行模拟优化,数值结果显示这两种天线在线极化和圆极化工作状态下其E面、H面辐射方向图在一定波瓣宽度内均具有较高的等化特性及低副瓣电平.应用矢量网络分析仪和频谱分析仪对线极化TE11模激励状态下的两种模式转换天线的增益和驻波系数进行测试,测试结果表明:在中心频率9.4 GHz频点辐射器采用开口圆波导或小张角圆锥喇叭时天线增益分别为11.21 dB和15.58 dB,且驻波系数均小于1.05.实测结果与仿真结果基本一致,证明了该模式转换天线技术的可行性与正确性.【总页数】5页(P114-118)【作者】张信歌;李少甫;张珂瑜【作者单位】西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010【正文语种】中文【中图分类】TN814;TN820.1【相关文献】1.偏心介质棒加载圆波导模式分析 [J], 张黎阳;汪文秉2.周期损耗介质加载波导与均匀圆波导间的模式映射 [J], 杜朝海;刘濮鲲;薛谦忠;王斌;黎燕林3.介质加载相控阵天线的模式分析法 [J], 葛悦禾4.面向大型反射面天线的双层介质波导混合模式调控 [J], 王珂;刘熠5.径向双层介质加载圆波导的宽带TE_(11)-HE_(11)模式变换器 [J], 张信歌;李少甫;靳赛赛;张珂瑜;孙洪卫;夏祖学因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
回旋速调管TE01-HE11模式变换器牛新建;顾玲;于新华;李宏福【摘要】根据耦合波理论,编制了优化计算程序,优化了30.5GHz TE01-TE11模式变换器的几何结构,得到了其可实现最高模式变换效率的几何参量.用仿真软件优化设计了同一工作频率的TE11-HE11模式变换器.结果表明这两个模式变换器组成的TE01 -HE11复合模式变换器在30.5GHz和1％带宽内具有97.0％以上的TE01-HE11模式转化效率.测试表明该复合模式变换器具有良好的模式变换性能.%Geometry configuration of a 30.5GHz TE01-TE11 mode converter for Gyroklystron is obtained to realize optimal mode conversion by a code written based on the mode coupling theory,and a 30.5GHz TE11-HE11 mode converter is designed by High frequency Structure Simulator (HFSS). Results show that complex TE11-HE11 mode converter consisting of the two converters has a transforming efficiency of over 97% within bandwidth of 1% at frequency 30.5GHz. Test indicates that the complex mode converter acts very well in conversion of TE11 to HE11, mode.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2011(039)008【总页数】3页(P1947-1949)【关键词】回旋速调管;低损耗传输天线;模式变换器;耦合波方程【作者】牛新建;顾玲;于新华;李宏福【作者单位】电子科技大学物理电子学院,四川成都610054;西南民族大学计算机科学与技术学院,四川成都610041;电子科技大学物理电子学院,四川成都610054;电子科技大学物理电子学院,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN811.71 引言回旋速调管作为毫米波高性能雷达、相控阵雷达、毫米波通信、受控热核聚变等系统的功率源,是国际上研究的热点之一[1,2].但是商用回旋速调管的输出模式一般是TE01模或TE02模─它们的辐射方向图呈空心圆锥状,不适合直接利用,通常需要借助特定的模式变换器将其变换为适合应用的HE11模式.回旋管外接的波导模式变换器一般采用以下两种变换序列[3,4]:(1)TE0n(回旋管)→TE01(低损耗传输)→TE11→HE11(天线)(2)TE0n(回旋管)→TE01(低损耗传输)→TM11→HE11(天线)所设计的30.5GHz高功率模式变换器采用变换序列(1).该模式变换器由TE01-TE11和TE11-HE11圆波导模式变换器两部分组成.在文献[5]中,采用较多的几何周期数才能实现TE01-TE11模式的高效转换,使得器件长度较大,带宽较窄,不能满足系统要求.在文献[6]中,采用波导轴线正弦弯曲分周期设计的方法,分别优化单周期内模式的转换情况,可实现较少周期数内紧凑、高效、宽带模式转换.关于TE11-HE11圆波导模式变换器,国内几乎未见研究报导,也没有发现以上两种模式变换器相关的实验研究报导.2 TE01-TE11模式变换器的分析方法TE01-TE11模式变换器为轴线周期弯曲的圆波导结构,研究这种波导模式变换的方法是求解基于耦合波理论的耦合波方程组[7]:式中,z为沿波导引导轴z上任意一点与轴起始点的距离,,表示正向与反向传播的(mn)波的幅值,表示(mn)波与同向或反向(m′n′)波的耦合系数.γmn=αmm+jβmn 为(mn)模的传播常数,αmn为衰减常数,表征波导的欧姆损耗,βmn为相位常数.以上参数在文献[5]中有详细描述.设直角坐标系x-0-y的原点与波导引导轴的始端重合,水平轴x是波导引导轴在水平方向上的投影.若模式转换器的长度为L,其输入端有入射波,终端反向波幅值为0,即有边界条件求解由式(1)、(2)和(3)、(4)组成的边值问题,即可求得前向波幅复数值和反向波幅复数值沿x轴的分布.为了进一步抑制其它耦合模式的幅值,提高模式转换效率,与文献[8]不同,在此采用以下耦合结构:其中主要波动几何周期式(5)和(6)中,λB为两个模式间的拍波长,λW,δ,ε分别为波导壁几何周期、扰动因子和扰动幅度.这种模式变换器的结构如图1示.3 TE01-TE11模式变换数值计算及结果如果采用文献[6]的弯曲波导结构(仅含一个扰动项的所谓简单正弦轴线弯曲结构),计算表明由于TE01与TE11间的拍频波长λB较长,并与TE01与TE12间的拍频波长比较接近,所以,必须采用较多的几何周期数才能实现模式的高效转换.计算表明,具有较强耦合的模式对为TE01-TE12和TE11-TE21.考虑到模式间耦合强度与波导半径沿波导引导轴的变化率有关[7],因此可采用合适的叠加微扰项(见式(5)和(6))改变波导半径沿波导引导轴的变化率,使得TE12、TE21与TE01、TE11耦合强度进一步降低,以提高转换效率和展宽频带.根据以上结构和边值问题,编写计算和优化程序,该程序采用可变多面体算法,可以很快搜索出变换器的最佳几何参数以实现最佳的模式转换.优化结果如表1和图2所示.从图2可见,由于采用叠加微扰项的处理,输出端的寄生模式电平实际上已很小.从图3给出的扫频结果可知转换效率98%以上的中心带宽约为1.0%.表1 波导轴线蛇形线微扰、频率为30.5GHz、半径为13.6mm的TE01-TE11模式变换器的优化计算结果类别TE01-TE11拍波波长λB/mm几何周期λW/mm周期数变换器长度 /mm微扰幅值ε1 ε2扰动因子δ 171.89333 178.723031 6 107.23381.07057586.00607328.003369984 TE11-HE11模式变换器的仿真优化所设计的模式变换器结构如图4所示,其内壁(内壁半径为13.6mm)的槽深从二分之一工作波长渐变为四分之一工作波长,可实现TE11至HE11模式的转换.以模式转换率最高为目标(兼顾带宽因素),优化出模式变换器的长度,然后对优化长度下的模式变换器进行扫频分析,扫频分析结果见图5.仿真结果表明当变换器长度为157mm时,可以得到较好的转换效率和模式变换带宽.图5显示在1GHz带宽内有99%以上的变换效率,中心频带宽度约为3%.若将两个模式变换器组成一个复合TE01-HE11模式变换器,根据以上结论,该复合模式变换器在1%带宽内有97%以上的模式转换效率.5 实验研究5.1 冷测研究为增加测量结果的可靠性,先测试复合型模式变换器的TE01-TE11模式段,然后再进行TE11-HE11段测试.将TE01-TE11模式变换器的TE11端口加载一直径40mm口径的辐射开口圆波导,在TE01端口馈入TE01模,测量TE11辐射场的分布;将同轴TEM模式转换为方TE10模式,再经方圆过渡器过渡到圆TE11模式,然后用该圆TE11模式激励TE11-HE11模式变换器的TE11端,变换后的微波经由连接于HE11端的开口圆波纹喇叭向外辐射.所测得的辐射场分布分别如图6和图7所示.由以上测试结果可知,所设计的模式变换器较好地发挥了模式变换的功能.5.2 热测研究热测实验是通过回旋速调管输出微波能量,后接TE01-TE11蛇弯模式转换器,再接TE11-HE11模式转换器并测其束斑图形.类似于冷测情形,热测分析也分两步进行:先热测TE01-TE11模式变换器的性能,然后将两模式变换器按照TE01-TE11-HE11的装配方向装配成一个复合模式变换器,再进行测试.图8(a)和图8(b)分别给出了TE01-TE11模式变换器和复合模式变换器输出的微波所产生的烧斑图样.烧斑显示复合模式变换按照TE01-TE11-HE11顺序将TE01模式转换成了良好的HE11模式.6 结论采用数值分析和实验测试的方法研制了回旋速调管外接TE01-HE11复合模式变换器并进行了测试.结果表明所研制的复合模式变换器可以有效发挥TE01-HE11模式转换的作用,并和计算结果较好的吻合.此研究方法和结论为研制8mm波段的回旋速调管外接模式变换器提供了可靠的依据.参考文献【相关文献】[1]Garven M,Calame JP,Danly B G,et al.Experimental studies of a four cavity,35GHz gyroklystron amplifier[J].IEEE Trans Plasma Science,2000,28(3):672-680.[2]王峨峰,李宏福,李浩,等.螺旋波纹波导中的返波[J].电子学报,2006,34(9):1717-1720.WangE-Feng,Li Hong-fu,Li Hao,et al.The backward wave in the waveguide with helical corrugation[J].Acta Electronica Sinica,2006,34(9):1717-1720.(in Chinese)[3]喻胜,牛新建,李宏福,等.8mm回旋速调管的模拟设计与实验[J].电子学报,2006,34(12A):2541-2543.Yu Sheng,Niu Xin-jian,Li Hong-fu,et al.Simulation design and experament of an 8mm gyroklystron amplifier[J].Acta Electronica Sinica,2006,34(12A):2541-2543.(in Chinese) [4]Y S YEH,T S WU,Y T LO,et al.Stability analysis of TE01 gyrotron travelling wave amplifiers[J].Int J Electronics,2003,90(8):517-532.[5]Thumm M,Jacobs A,Ayza M S.Design of short high-power TE11-HE11mode converters in highly overmoded corrugated waveguides[J].IEEE Trans Microwave TheoryTech,1991,39(2):303-309.[6]J L Doane.Mode converters for generating the HE11(Gaussian like)mode from TE11in a circular waveguide[J].Int J Electronics,1982,53(12):573-585.[7]Xinhua Yu,Lin Meng andXinjia Niu.Design of a 94GHz transition section with consinusoidal profile[J].International Journal of Electronics,2009,96(4):387-395.[8]Jeffrey M.Neilson.Optimal synthesis of quasi-optical launchers for high-power gyrotrons[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2006,34(3):635-641.。
