[发明专利]一种实现双频分离的准光模式变换器

说明书

技术领域：

本发明涉及一种实现双频分离的准光模式变换器，属于高功率太赫兹波传输技术领域。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长在3mm到30μm范围，介于微波与红外线之间。由于太赫兹波的频率很高，因此通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。随着太赫兹波应用的日益广泛，研制有效的太赫兹辐射源成为世界各国在该领域的研究热点之一。基于电子回旋受激辐射原理发展起来的快波回旋器件——回旋管，被认为是目前最有可能获得大功率输出的太赫兹辐射源。

太赫兹回旋振荡管是回旋器件中发展得比较成熟的大功率器件，其结构相对简单，在很宽的频率范围，特别是在毫米波、亚毫米及太赫兹波段能以多种方式产生脉冲峰值功率与连续波功率，因而在国际上受到高度重视。它主要应用于受控热核聚变中等离子体电子回旋共振加热(ECRH)、等离子体的不稳定性控制与诊断、微波拒止武器、增强核磁共振以及放射性物质遥测等方面。

为了提高回旋管的输出功率，刘盛纲、刘朝宇在中国专利200510022310.4中公布了一种新型同轴腔双电子注回旋管。通过采用双电子注的方式，使得注入回旋管谐振腔的电子注电流成倍增加，从而使得同轴回旋管的输出功率较传统回旋管大大提高。同时，通过恰当的设计，让同轴双电子注回旋管的一根电子注工作在基波模式，另一根电子注工作在谐波模式，从而实现双频工作。双频工作回旋管在等离子体加热、雷达等领域有广泛的应用前景。双频双注回旋管中基波与谐波同时工作，直接输出难以检测和应用，实现双频分离的准光模式变换器能使两个频率的电磁波高效分离，是解决此问题的一种方案。

发明内容:

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种实现双频分离的准光模式变换器，是在回旋管准光模式变换器的输出窗位置处增加一个基于频率选择表面的透射/反射镜，实现一个频率的电磁波透射，另一个频率的电磁波反射，从而实现两个不同频率的电磁波传播方向分离。

本发明的目的有以下技术措施实现

双频分离的准光模式变换器，由辐射器、2个曲面反射镜和1个基于频率选择表面的透射/反射镜组成。

辐射器表面光滑，为波导螺旋切口结构。

第一曲面镜为准椭圆反射镜。

第二曲面镜为准抛物反射镜。

基于频率选择表面的透射/反射镜为蓝宝石基底镀铝单元。

本发明具有如下优点：

可以方便的实现电磁波与电子束的分离。

避免了纵向输出回旋管由于输出端口不均匀反射回来电磁波，干扰谐振腔中的注波互作用。

输出模式是线极化准高斯波束，可以直接用波纹波导或者反射镜以低损耗进行传输和直接利用，方便电磁波的应用。

使两个不同频率的电磁波沿不同的方向传播，实现传播方向的有效分离。

附图说明：

图1为双频分离的准光模式变换器的结构示意图。

图2为基于频率选择表面的透射反射镜中的单元结构示意图。

图中：1托盘，2辐射器，3准椭圆反射镜，4准抛物反射镜，5支架，6基于频率选择表面的透射/反射镜，7基于频率选择表面的透射反射镜中的单元结构。

具体实施方式:

如图1所示，双频分离的准光模式变换器由托盘1，辐射器2，准椭圆反射镜3，准抛物反射镜4，支架5和基于频率选择表面的透射/反射镜6构成，频率选择表面由如图2所示的7周期结构组成。辐射器2、准椭圆反射镜3、准抛物反射镜4、支架5分别与托盘1连接，基于频率选择表面的透射/反射镜6与支架5连接。托盘1中间为空心圆，其半径等于辐射器2外径。

具体实施方式为，辐射器2底端输入双频双电子注同轴回旋管的两个不同频率的工作模式，两个不同频率的工作模式通过辐射器2的螺旋切口向自由空间辐射，经准椭圆反射镜3和准抛物反射镜4聚焦后，在基于频率选择表面的透射/反射镜6中心处形成线极化准高斯波束，最后经过有一定倾斜角度的基于频率选择表面的透射/反射镜6，使一个频率的电磁波发生反射，另外一个频率的电磁波发生透射，从而实现双频高斯波束传播方向的有效分离。

托盘半径为80mm，厚2mm；辐射器内径为5mm，外径为7mm，长26mm；准椭圆反射镜面两焦距分别为20mm和35mm，宽60mm，高80mm；抛物反射镜面焦距为30mm，宽80mm，高100mm；透射/反射镜宽10mm，高10mm，厚0.2mm，中心高度为83mm，距托盘中心30mm，蓝宝石基底厚为180μm，镀铝层厚度为3μm，单元为对称十字长296μm，宽20μm，四周各有一个长196μm宽20μm的矩形相接。输入的工作模式为110GHz-TE02和220GHz-TE04，经计算，模式转换效率分别为83.9％和89.8％，束腰半径分别为3.5mm和2mm。