螺旋波纹波导的传输特性探讨

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1、螺旋波纹波导的传输特性摘要：根据螺旋波纹波导的传输耦合方程，取输入模式为TEIP由螺旋波纹波导模式耦合规则得到输出模式为T^p由此给出耦合方程的具体形式，用'迭代法’简化耦合方程，并进行数值分析得到波导波纹周期对传输特性的影响；利用简化后耦合方程解的解析式计算了螺旋波纹波导工作模式中各场幅值的比例关系，得出结论：在工作频段内螺旋波纹波导屮场结构是--种混合模，以TE21模为主，它们的群速度基本接近常数，可以和屯子注在很宽的频带内产生互作用，为注波互作用的计算提供了依据。关键词：螺旋波纹波导，耦合波方程，本征模式，线性组合，幅值比例。在

2、回旋管家族I®屮回旋行波管是一种新型大功率毫米波器件，其特点是峰值功率高，频带宽⑶，受到人们的高度重视，而其中的互作用高频系统，不仅决定了电子注和工作模式的作用效率，还决定着工作的频带，因此高频系统的研究对于整个微波系统的特性乃至正常工作都有重要的意义。回旋行波管最基本的互作用高频系统结构是一段光滑波导，为了增加带宽，人们提出了采用渐变波导结构和渐变磁场的结构系统⑷，而为了减少管子自激振荡的发生，中国台湾清华大学朱国瑞等人采用了代替起切断作用集屮衰减的具有分布壁损耗二级互作用园波导的结构作为回旋行波管的高频系统⑸，对于抑制回旋行波管的

3、模式竞争，提高互作用效率，降低工作电压比较有效的是电子科技大学冋旋管课题组采用沿传输方向内开槽波导结构的高频系统&刃，螺旋波纹波导MB（图1）是由俄罗斯人g.Denisov等提出的一种新型的回旋行波管的高频结构，该结构通过改变波导的色散特性，使电子注和工作模式发生有效的作用，不仅能增强互作用效率和频带宽度，述能大大降低对速度的敏感性以及增加抑制模式竞争的能力，在文献［15］中分析了螺旋波纹波导的传输方程、模式耦合规则及色散特性，并阐述了把这种波导作为高频系统的回旋行波管的作用机理和优越性，但是对于注波互作用的分析不仅要知道与电子注作用

4、的波场的结构，还Fig.lSpiralcorrugatedwaveguide图1螺旋波纹波导结构图要知道波场的初量值，因此本文将从［15］的结论出发，对耦合波方程进行数值计算，得出螺旋波纹波导的模式耦合特性和本征模中工作模式与输入模式之间场幅值的关系。1基本方程及理论分析1.1螺旋波纹波导的耦合方程在柱坐标系统下螺旋波纹波导的边界条件有如下的关系:h(cp.z)=axcos(mR(p+心z)+绳为波导平均的直径，4为波纹的幅度，加〃为波导螺纹的角向变化次数，kB=27T/d,d波纹周期（与螺旋波纹波导有关的物理变量下标均用B表示）。由

5、阻抗微扰法2⑷可以得出螺旋波纹波导的行波耦合方程何：4a+=-・Q⑴如+心艰）azfA：=-九A：-方宀⑴⑷小％）（2）az?£=儿&+.&""）（A茴転）az式中丿•为虚数单位，表示第斤个正向波和第八个正向波的耦合系数，表示第〃个反向波10203040506070z/cm2powerofBackwardwave(TE2i)5forward864■••ooO2Ooo波导的直径ao=1.5cm,波纹的幅度a）=0.145cmkB=1.5cm-1,频率点f=9.72GHz。从图（2）知道TE21模式反射波在整个过程中所wavc（TE2

6、）

7、Andforwardwavc（TEn）withZ图2螺旋波纹波导中TE"前向波和TE2i前、反向波沿L轴功率分布和第i个正向的耦合系数（b*中的'表示正向波宀反向波力如此类推，它们为:HPk+。（）％加“&”土心心）a”曲._1“Auj+d細旳（〜2土处©）__m2_m2_3a-%2_~miJ"：-加;_心为第i个波的截止波数，％=0,±1,±2,取正值和负值分别代表右旋波和左旋波。（3）式中:—=唧％kcn=/670,儿为第风阶函数导数非零跟，同时耦合波方程组（2）须满足条件:(4)mi-mn=±mB可表述为：螺旋波纹波导屮模式的

8、耦合要满足模式间角向变化数的差值为螺纹角向变化次数的条件I⑸,条件（4）屮前面的正负号和（2）式中幺士山z上面的正负号对应。方程（2）描述的螺旋波纹波导模型为：选取波导螺纹在角向变化次数mb为3,旋转方向为右旋，取输入模式为TE”输入波导后TE"模式会有旋转方向的变化，同时出现模式耦合，通过选取适当的kB，根据［15］中得到的螺旋波纹波导的耦合规则，当满足（4）时在波导内将会耦合出右旋的TE21模式。1.2螺旋波纹波导耦合方程的简化由于方程组（2）在考虑了TEh刖向波和TEr模式刖向波发生耦合的同时，也考虑了和TE21反向波发生的耦合

9、，使得在计算时反向波的初值不能事先给定，因此我们用'迭代法'来进行讣算，在稳态时，初始位置有输入TEh模式的波，和由于波导不规则性带来的TE2】模式的反射波，而在输出端只有TE“和TE21模式的波，计算过程中事先假定一个