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拓扑与电路
★ 5.0
一种基于叶片加载波导的宽带高功率微波模式转换器
A Wideband High-Power Microwave Mode Converter Using Vane-Loaded Waveguide
| 作者 | Neha Parmar · Runa Kumari · D. Ratan Sanjay · Harish V. Dixit |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 拓扑与电路 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 高功率微波源 模式转换器 TM₀₁ - TE₁₁模式转换 带宽 功率处理能力 |
语言:
中文摘要
摘要：高功率微波（HPM）源，如磁绝缘线振荡器（MILO）、返波振荡器（BWO）和同轴虚阴极振荡器，能在TM₀₁模式下产生数吉瓦级的功率。当这种模式通过天线辐射时，会在视轴方向形成零值。这是不理想的，因此需要使用模式转换器（MC）将TM₀₁模式转换为TE₁₁模式，TE₁₁模式辐射时会在视轴方向形成最大值。在这项工作中，作者报道了一种基于叶片加载圆形波导的TM₀₁ - TE₁₁模式转换器。叶片远离电场最大值区域，因此对场的扰动极小。因此，该模式转换器具有高带宽和高功率处理能力。本文提出了一种计算模式转换器尺寸的方法。此后，作为案例研究，给出了一个3 GHz模式转换器的设计和性能。讨论了该设计的两种具体变体。一种变体的扰动长度为3λ_ga，扇形角为60°。该模式转换器的模拟带宽为437.95 MHz（14.59%），计算得到的功率处理能力为2.056 GW。与之前相比，带宽和功率处理能力分别提高了1.34倍和2.8倍。由于只进行低功率测试，该模式转换器还采用快速成型技术进行了制造。第二种变体的扰动长度为7λ_ga，扇形角为105°。该模式转换器的模拟结果显示带宽为620 MHz（20.68%），功率处理能力为1.12 GW。与之前相比，带宽和功率处理能力分别提高了1.9倍和1.75倍。
English Abstract
High-power microwave (HPM) sources, like the magnetically insulated line oscillators (MILOs), backward wave oscillators (BWOs), and coaxial vircators, generate a few GW level of power in the TM01 mode. When such modes are radiated by an antenna, they form a null at the boresight. This is undesirable, and mode converters (MCs) are used to convert the TM01 mode to a TE11 mode, which, when radiated, forms a maxima at the boresight. In this work, the authors report a TM01-to-TE11 MC based on a vane-loaded circular waveguide. The vanes are located far from the region of E-field maxima, so the fields are minimally perturbed. As a consequence, the MC exhibits high bandwidth and high-power handling capability. A method to calculate the dimensions of the MC is presented. Thereafter, as a case study, the design and performance of a 3-GHz MC is presented. Two specific variants of the design are discussed. One is with a perturbed length of 3 _ {ga} and a sector angle of 60°. The simulated bandwidth of this MC is 437.95 MHz (14.59%) with a computed power handling capability of 2.056 GW. This is an improvement in the bandwidth and power handling by a factor of 1.34 and 2.8, respectively. The fabrication of this MC is also carried out using rapid prototyping, as only low-power tests were intended. The second variant is with a perturbed length of 7 _ {ga} and a sector angle of 105°. The simulated results of the MC indicate a bandwidth of 620 MHz (20.68%) and a power handling of 1.12 GW. This is an improvement in the bandwidth and power handling by a factor of 1.9 and 1.75, respectively.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这篇关于高功率微波模式转换器的论文所涉及的技术领域与公司核心业务存在较大差异。该研究聚焦于GW级高功率微波源的电磁模式转换，主要应用于雷达、电子对抗等国防军工领域，而阳光电源的技术重心在于功率电子变换、能量管理和新能源发电系统。
尽管应用领域不同，但该技术在电磁场理论和波导设计方面的创新思路仍具有一定参考价值。论文提出的叶片加载波导设计通过将扰动元件置于电场极小区域，实现了高带宽和高功率处理能力的平衡，这种"最小化场扰动"的设计理念与阳光电源在逆变器电磁兼容性（EMC）设计中追求的低干扰目标存在相通之处。特别是在大功率光伏逆变器和储能变流器中，如何在高频开关条件下管理电磁辐射和传导干扰，是提升系统可靠性的关键技术挑战。
然而，该技术的直接应用价值有限。首先，GW级功率处理能力远超新能源设备需求，阳光电源的MW级储能系统与此量级差距显著。其次，高功率微波技术涉及的圆波导模式转换、真空击穿等问题在光伏逆变器的固态功率器件环境中并不适用。第三，论文采用的快速原型制造方法仅用于低功率测试，其工程化成熟度与阳光电源产品的量产要求存在较大差距。
综合评估，该技术对阳光电源的实际业务价值较低，但其在电磁场优化设计方面的方法论可为公司研发团队在解决EMC问题时提供理论启发。建议将关注重点保持在与新能源变换直接相关的宽禁带半导体、高频磁性元件和先进热管理等核心技术领域。