紧凑型宽带TE01-TE02模式转换器
光纤通信课后习题解答-第2章习题参考答案
第二章 光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G .651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布 () 21⎩⎨⎧≥<=ar n ar n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=ar n a r a r n r n cm α 3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA 是如何定义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10∆==n NA φ渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0s i n220∆===n n n NA c φ两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
数值孔径是衡量光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。
4．简述光纤的导光原理。
答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。
紧凑型宽带TM01-TE11模式转换器的数值模拟
紧凑 型 宽 带 Ｔ ｌＴ １ 式 转换 器 的数 值模 拟 Ｍｏ Ｅ １ － 模
丁敦高， 钱宝良， 袁成卫
（ 国防 科 学 技 术 大学 光 电 科 学 与 工程 学 院 ， 沙 ４ ０ ７ ） 长 １０ ３
摘 要 ： 设 计 了 一 个 紧 凑 型 宽 带 Ｌ 波段 Ｔ Ｍ － Ｅ 式 转 换 器 。该 转 换 器 使用 同 轴 ＴＥ 和矩 形 Ｔ Ｔ ， 模 Ｍ Ｅ。 模 式 作 为过 渡模 式 ， 高 了模 式 转 换 器 的工 作 带 宽 ， 小 了 模 式 转 换 器 的 尺 寸 ， 且 模 式 转 换 器 的 输 入 输 出 同 提 缩 并 轴 。建 立 了一 个 尺 寸 为 ２ ． ｒｘ５ ． ｍ 的设 计 模 型 ， 进 行 了 数 值 模 拟 。结 果 表 明 ： 模 式 转 换 器 工 作 Ｏ ５ｃ ５ ２ｃ ｕ 并 该 频 率为 １ ６ ～２ ２ ｚ时 转换 效 率超 过 ９ ， 对 带 宽 超 过 ３ ； １ ７ ． ３ ．２ＧＨ Ｏ 相 Ｏ 在 ． ２ＧＨｚ 转 换 效 率 达 ９ ． ； 作 处 ９８ 工 频 带 内 反射 系数 小 于 一 １ ｄ 最 低 为 －２ ． Ｂ 该 模 式 转 换 器 的 功 率 容 量 大 于 ｌＧＷ 。 ｌ Ｂ， ６ ３ｄ ；
射最 大 的 ＴＥ 或 ＨＥ 模式 ， 通 过天 线把微 波发射 出去 。 （ ） 再
在微 波波 段 ， 常见 的模式 转换 方法 是用弯 曲波 导实 现 圆波 导 Ｔ Ｍ Ｔ 模 式 转 换［ ］ 或者 采用 波 导 半径 Ｅ １， 微扰 的方法 实 现模式转 换［ ， ３ 一般情 况下 ， ］ 这类 模式转 换 器较 长 ， 而且 弯 曲波 导 加 工有 难 度 。Ｖｌｓｖ辐 射 天线 ａｏ
回旋速调管TE01-HE11模式变换器
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.。
章矩形波导中的基模
有
其场分布如图所示。
圆波导中的电磁波
圆波导中常用的三种模式
由图可见，圆波导的TE11模和矩形波导中的TE10很相似，因此很容易 被矩形波导中的TE10所激励。
实用中的波型变换器正是利用这 个特点，实现了矩形波导TE10 模与 圆波导TE11 模的波型转换，右图就 是这种波形变换器的示意图。
方便，。与矩形波导一样，圆波导中传播TE波和TM波，下面对这
两种色散波分别进行讨论。
r
φ
a
TE波（H波） 根据定义，TE波的一般表示式已由（2.7b）式给出，在圆柱坐标系中应为
HZ( r , φ,z , t ) =DHZ( r , φ) e jωt- γz 式中HZ ( r , φ) 是方程 ▽ T 2 HZ( r , φ) +kc2 HZ( r , φ) =0 的解
在波导宽壁中心，因为横向电流为零，这时沿着中心线开纵向窄槽缝（缝隙宽度
d<<λg）就不会影响壁上电流分布，使发生的辐射较弱，对波导内被测量的电磁场
扰动就很小，如图中的A槽缝。
一些槽缝却是希望电磁波从波导中辐射出来，如波导“裂缝天线”，这时开缝的 原则是垂直于电流线开槽，故意切断 高频电流的通路，迫使一部分电流
TE11模存在着极化简并现象, 波 型 的 极 化 面 会产生旋转( 如右图) , 所 以 一 般 不 用 其 传 输 能 通 量, 常用在特殊场合，比如避免收发共用天线的合 耦此外，铁氧体法拉第旋转器件, 极 化 衰 减 器 也 中采用TE11模 .
圆波导中的电磁波
波型变换器
圆波导中常用的三种模式
圆波导中的TE电磁波解 贝塞尔导数函数
一种同轴波导TE01模到圆波导TE02模变换器的数值模拟
Ａｓａ ： ｕ ｅｃ ｍｌｉ ｆ ｏｅ ｏ ｅ ｉ ｏ ｅ ｏ＜ ａ ｇｉ Ｅ ｍ ｄ ｔ ｔ ｃ ａ ｂ ｒ ｔＮ ｍ ｒａｓ ｕ ｔｎｏ ｍ ｄ ｃ ｖ ｓｎｆｍ ｔ ａａ ｗｖ ｕ ｅＴ ： ｏｅ ｏ ｈ ｃ ｕ ｒ ｔｃ ｉｌｉ ａｏ ｎ ｒｏ ｒ ｈ ｃ ｚ ｉ ｌ ｅ ｄ ｅ ￣ｌ
Ｔ ｅｕ ｅｃ ｍ ｌｉ ｓｔｗｔＡ ｓｔ ＦＳｈｗｔａ８． ｆｈｅｅ ｏ ｐｔ Ｅ ｏｅａ ｈ ｎｍ ｒａｓ ｕ ｔｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｆＨ Ｓ ｏ ｔ９ ％ｏｔ ｒ ｆｍｉ ｕＴ ：ｍ ｄｃｎ ｅ ｉｌｉ ａｏ ｒｕｓ ｈ ｏ ｓ ｈ ３ ｅｎ ｇ ｒ ｎ ｙ ｂ
ｃ ｎ ｅ ｔ ｄ ｔ ｈ ｍ ｏ ｅ ｔ ｅ一 ｄ ｂ ｎ ｗｉ ｔ ｓ ａ ｏ ｔ８ ０ Ｈｚ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｐ ｉｕ ｅ ｏ ｈ ａ ｎ ｃ ｍｐ ｔｔｏ ｏ ｖ ｒ ｅ ｏ ｔ ｅ ＴＥ ｄ ， ｈ ３ Ｂ ａ ｄ ｄ ｈ ｉ ｂ ｕ ２ Ｍ ， ｎ ｈ ｍ ｌ ｄ ｆｔ ｅ ｍ ｉ ｏ ｔ ｅ ｉｉ ｎ ｍｏ ｅ ｔ ｅ ＴＥ ｍ ｏ ｅ ｉ ０ Ｂ ｅ ｓ ｔ ａ ｈａ ｆｔ ｅ ＴＥ ｏ ｅ ａ ｉ ｄ ． ｄ ， ｈ ｄ ， ｓ １ ｄ ｌ ｓ ｈ ｎ ｔ ｔｏ ｈ ｐ ｒ ｔｎｇ ｍｏ ｅ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｇｙ ｏ ｒ ｎ；Ｍ ｏ ｅ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｒ ｔｏ ｄ ｏ ｖ ｒ ｉ ｎ；Ｃｏ ｖ ｒ ｉ ｎ ｃ ｅ ｃｅ ｔ ｕ ｐ ｅ ｓｏ ｆ ｃ ｍ ｐ ｔｔｏ ｏ ｅ ｎ ｅ ｓｏ ｏ ｆ ｉｎ ；Ｓ ｐ ｒ ｓ ｉ ｎ ｏ ｏ ｉ ｅ ｉｉ ｎ ｍ ｄ ；Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｍ ｒｃ ｌ
Ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｌ ｔｏ ｏ ｏ ｅ Ｃｏ ｖ ｒ ｅ ｒ ｍ ｈｅ Ｃｏ ｘｉｌＷ ａ ｅ ｕ ｄ ｍ ｒｃ ｌＳ ｍｕ ａ ｉｎ ｆａ Ｍ ｄ ｎ ｅ ｔ ｒ ｆｏ ｔ ａ ａ ｖ ｇ ｌ ｅ ＴＥ０ ｏ ｅ ｔ ｈｅ Ｃｉｃ ａ ａ ｅ ｕ ｄ １Ｍ ｄ ｏ ｔ ｒ ｕ ｒ Ｗ ｖ ｇ ｌ ｌ ｅ ＴＥ０ Ｍ ｏ ｅ ２ ｄ
新工科光纤通信课件C2-光纤传输原理
θa LD/LED
θa
θc ac
包层 纤芯
临界入射角 c arcsin(n2 / n1)
临界传播角 c arcsin 1 (n2 / n1)2
可接收角度满足 n0 sina n1 sin c
sina n12 n22
【例2-1】 已 知 硅 光 纤 n1=1.468 ， n2 =1.444 ； 塑 料 光 纤
光纤有几个衰减比较小的透光窗口（windows）。 在850nm波长附近，损耗约为2dB/km； 在1310nm波长附近，损耗为0.5dB/km； 在1550nm波长附近，损耗可降至0.2dB/km 我们把这几个波长叫做光纤的透光窗口。
光纤的衰减定义为输出光功率与输入光功率的比值， 常使用dB做单位，衰减表示为
新工科
光纤通信
Optics-fiber communication
第2章 光纤传输理论与特性
2009年10月7日，高锟获得了诺贝尔奖，他的获奖理 由是：“For groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication”。
J
' m
(u)
uJm (u)
Km (w) ][ n12 wK (w) u
m
Jm (u) n22 Jm (w) w
Km (w)] K (w)
2m2
k02
1 (u2
1 w2
)2
这是一个超越方程，又称特征方程。
此方程看上去有点复杂，包括很多参数m、a、、 n1、n2和，但仔细观察，就会发现其中u与w通过 其定义式与 相联系；
光纤模式理论
J 0 U 1
1/ 2
a
0
Vc＝U 模式截止时对应的特征方程
J1 U K W 1 UJ0 (U ) WK 0 (W )
1 U J m0 U m! 2
U 0
m
1 2 W 2 ln W
所以
UJ0 (U ) 0
同理，如果设 e y 0 就可以得到一组 (ex,0,ez,hx,hy,hz)模式 模式（0,ey,ez,hx,hy,hz)和(ex,0,ez,hx,hy,hz)分别用
LP 和LP 表示
考虑到光纤是弱导结构，所以光场二阶以上 的变化率可以忽略不计，此时两个模式就表 示成 (0,ey,ez,hx，0,hz) 和(ex,0,ez,0,hy,hz)
y
x
二 标量模式的场分布
e y x, y e y r , e y r e jm
X e y (r ) 1 e y (r ) m 2 X X X 1 X 2 e y (r ) 0
e y ( x, y ) C 1J m (U )e jm e y ( x, y ) C 2 K m (W )e jm
WK m1 W K m W
J m x 1 J m x
m
K m x K m x
2 K 0 ln W
1 ey hx ey 0 x x
j e y ez y
（ 9）
e y e y 2 n 2 k0 2 ey 0 y y x x
（10） 可见分量满足波动方程
2 2 0 n 2 k0
所以可以分为一组模式（0,ey,ez,hx,hy,hz)
矩形波导简并模举例
矩形波导简并模举例
矩形波导是一种常用的波导结构，它主要由一个矩形截面的金属管道构成。
矩形波导有多个模式，其中一些模式是简并的，即具有相同的传播常数。
以下是矩形波导的一些简并模的举例：
1. TE10模式：这是矩形波导中最基本和最常见的模式。
它表
示电场仅在波导截面中的一个方向上存在，磁场则在另一个方向上存在。
TE10模式是矩形波导中的基模，具有最低的传播
常数。
2. TE01模式：这是另一个简并的模式。
它代表电场仅在另一
个波导截面的方向上存在，而磁场则在第二个截面上存在。
TE01模式在特定的频率和截面尺寸下才会存在。
3. TE20和TE02模式：这些是矩形波导中的次级模式。
TE20
模式表示电场在一个方向上存在，磁场在另一个方向上存在，而TE02模式则相反。
这两个模式在传播常数相等的情况下被
认为是简并的。
4. TM11模式：这是一种纯磁模式，在这种模式中，磁场在两
个波导截面之间的方向上存在，而电场则在另一个方向上存在。
TM11模式是矩形波导中的基模磁模式，并且具有与TE10模
式相同的传播常数。
这只是矩形波导中的一些简并模式的举例，实际上还有许多其他模式存在。
这些简并模式的存在使得角频率和波导尺寸的特
定组合存在多个解，因此在设计和分析矩形波导时需要注意对模式的选择。
2-光纤结构、导波原理及制造
15:22
20
光纤：结构、导波原理和制造
(b)标量解的特征方程
特征方程由边界条件给出 r=a时 Ey与 E y 在边界上连续，由E(r,, z)可得
r
AJ m (U ) CK m (W ) AUJ m '(U ) CWK m '(W ) 其中，U ua,W wa.
由贝塞尔函数的递推公式
其中u k n a, w k n a
2 2 0 1 2 2 2 2 0 2
15:22
30
光纤：结构、导波原理和制造
传播常数β的本征方程为:
J u K w J u n2 K w m 2 1 1 m m m 2 m 2 2 2 uJ m u wK m w uJ m u n1 wK m w k0 n1 u w
第二章 光纤：结构、导波原 理及制造
光纤：结构、导波原理和制造
主要内容
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 光纤模式和结构 圆波导的模式理论 单模光纤 梯度折射率光纤 光纤材料 光纤制造 光缆 光缆铺设方法
《现代光纤通信技术》
2
光纤：结构、导波原理和制造
2.1 光纤模式和结构
E ＝CK m r e
Ⅱ y
jm
e－j t－ z 来自2 2 2 式中w2＝ 2－k2 ＝ 2－k0 n2
采用同样的方法可以求得磁场的解为：
纤芯
包层
H ＝BJ m ur e
Ⅰ y Ⅱ y
jm
e
－j t－ z
H ＝DK m wr e
jm
S波段圆波导TM01-TE11模式变换器加工设计
现 ，这就为增加 了配 电网故 障的发生率 ，给配
电网的安全运行带来 了隐患 。 １ ． ２ ． ３避雷器故障 避雷 器是 用来 限制 过 电压幅 值 的保 护 电 器 ，并联在被保护 电器与地之 间 当雷 电波沿
【 关键 词 】配网运行 故障 维护
［ ２ ］ 徐刚 ， 谢平 ， 廖勇 ． ｘ 波段 过 模 弯 曲圆 波
导 Ｔ Ｍ Ｏ １ － Ｈ Ｅ １ １模 式 变 换 器 研 究 ［ Ｊ ］ ．物 理
３ 结 论
在 Ｓ波段对 圆波导 Ｔ Ｍ０ ｒ Ｔ Ｅ 模 式变换器
学报 ， ２ ０ １ ３ ， ６ ２ （ ７ ） ： ０ ７ ８ ４ ０ １ ． ［ ３ 】田 晨 ，喻 胜 ．圆 波 导 Ｔ Ｅ ０ １ 一 Ｔ Ｅ ｌ １模 式
与设备本 身老化来进行分析 。 １ ． １运行 管理方面的因素 运行 管理 中影 响配 网安 全的 主要 因素是 巡视不到位 、抢修不及时 。巡视不到位 ，主要 是巡视人员技能素质不高 、责任 心不强 ，对外
的配置数量不够 ，随着用 电量 的增 长，变 压器 的负荷难 以满足增加 的用 电量 的需 求，出现了
电力电子 ・ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ
配网运行 薄弱点 及规避事故安全措施
文／ 许永创
同相 的多点接地 ；单相 接地 不会造成短路 ，仅
当前 配 网运行 普 遍存 在故 障 较 多 的 问题 ，造 成 这一 问题 除 了 设 备 、线路 老 旧的客 观原 因外 ， 主 要 是 由 于 配 网 改 造 、 维 护 、 抢 修 工作 复杂，配 网故障维修延时、 人 员工作 不 到住 等主 观 因素造 成 的。这 些 主客观 薄弱 点 的存 在 对 提 高配 网 的供 电可 靠性 、保持 配 网安 全 稳 定 运 行 造 成 不 良影 响 。 本 文配 网运 行存 在 的薄 弱点 进行 分 析 ， 并 提 出 了反 事 故 措 施 有 不大 的接地 电流流过接地处 ，系统仍可继续
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摘
要 ： 在传 播 常 数 随 半 径 变 化 的情 况 下 近似 分 析 了两 模 转 换 条 件 ， 得 到了模式转换器 的初始结 构 ， 然
后调用迭代法进行优化 ， 最终能得到结构 紧凑 、 带宽较 宽 、 转 换 效 率 高 的模 式 转 换 器 。设 计 了 两 周 期 的 Ｋａ 波
段和一周期 的 ｗ 波段 Ｔ Ｅ ¨ １ ＴＥ 。 ： 模式转换器 ， 带宽（ 转换效 率 ９ ５ 以 上频 带 宽 度 ） 分别达到 ２ ． ４ ７ ， ８ ＧＨｚ 。Ｃ Ｓ Ｔ 仿 真 结 果 与 耦 合 波 仿 真 程序 计 算 结 果 吻 合 较 好 ， 验证 了 该 方 法 的 有 效 性 。 关 键 词 ： 过模 波 导 ； 耦 合 波 ； 模 式 转 换 器 ； 迭 代 法
～
ｒ
Ａ （ ｚ ） 一Ａ （ ｚ ） ｅ ｘ ｐ Ｅ －ｊ （ ｌ ｓ ） ａ ｓ ］
那么 ， 耦合 波方 程组 可写 为
ｄ Ａ１
－ －
（ ３ ）
Ｃ １
ｅ ｘ ｐ （ 肫） 一 ／ ３ ２ （ ｄ ｓ ］
譬： 一 ｃ 丢 ｐ （ １ ｆ ２ （ ｚ ） － ｌ ｆ ｌ （ ｚ ） ） ｄ ｓ ￣
忽 略截 止模 和反 射模 的耦 合波 方程 组可 写 为 ］
一 一ｕ～ Nhomakorabeaｊ （ ） Ａ ＋∑ｃ Ａ
。 ≠
（ １ ）
式中： Ａ 为模式 的幅度 ； 为传播常数 ， 一￣ ／ 忌 一（ 。 ／ ａ ） 。 ， 其 中 忌为 自由空间波数 ， ｎ为波导半径 ， 。 为
一
般需 要将 Ｔ Ｅ 。 模 式转 换 为高斯 波束 口 ］ ， 转 换 方 法分 为 波 导 结构 或 准 光 结构 。若 采 用 波导 结 构 ， 模式 转 换 序
Ｔ Ｅ ［ ） ｒ Ｔ Ｅ 。 。 模 式转 换 器为 此变 换序列 中的一个 组 件 ， 常 常采用 相 位重 匹 配法 ＿ ２ ］ 进
紧凑型宽带 Ｔ Ｅ ０ ｒ Ｔ Ｅ ０ ２ 模 式 转 换 器
王 强 ， 周海京。 ， 杨 春 ， 李 彪
（ １ ．中 国 工 程 物 理 研 究 院 电子 工 程 研 究 所 ，四 川 绵 阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ； ２ ．清 华 大学 工 程 物 理 系 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ６ ； ３ ．北 京 应 用 物 理 与 计 算 数 学 研 究 所 ，北 京 １ ０ ０ ０ ９ ４ ）
令 半径 函数满 足
＊ 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ６ １ ０ ； 修 订 日期 ： ２ Ｏ １ ２ — ０ ９ — ２ ０
Ｊ （ ｚ ） 的第 住个 根 ， Ｊ 。 （ ｚ ） 为 ０阶 贝塞尔 函数 。Ｃ 为耦合 系数
ｃ ＝ ＝ ＝ １ ｄ ａ ｘ Ｏ ｎ ｘ Ｏ ｑ ［ （ ／ ） ＋（ ／ ） ］
（ ２ ）
当 ｎ 》ｚ ｏ 且是 ｎ 》 叻时 ， （ ／ ） 。 ＋（ ／ ） 。 ≈２ ， 从 而 简 化表 达 式 。ＴＥ 。 一 ＴＥ ｏ ｚ 模 式转 换 器 中 ， Ｔ Ｅ 。 主要 激励起 ＴＥ 。 。 模式 ， 理论 近 似分 析时 可 只考虑 这两 个模 式 ， 而忽 略高 次模 。并将 Ａ 作如下 变换
分 别设 计 了两 周期 的 Ｋａ波段 和一 周期 的 ｗ 波段 ＴＥ 【 ） ｒ Ｔ Ｅ 。 模 式 转换 器 ， 带宽（ 本 文定 义转 换效 率 ９ ５ 以上 频 段 宽度 为带 宽 ） 分别 达到 ２ ． ４ ７ ＧＨｚ 和 ８ ＧＨｚ 。
ｌ 两 周 期 设 计 方 法
中 图分 类 号 ： ＴＮ８ １ １ ； ＴＮ８ １ ４ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ７ ８ ８ ／ ＨＰＬ ＰＢ ２ ０ １ ３ ２ ５ ０ ２ ． ０ ４ １ ５
回旋行 波 管 的输 出模 式 常 常为高 次 ＴＥ 。 模， 此类 模 式 的辐射 方 向图呈 现 中间 空心 状 而不 便 于 直接 应 用 。
第２ ５ 卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ２月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＩ Ｅ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ １ ． ２ ５ ，ＮＯ ． ２
Ｆｅ ｂ ．，２ ０１ ３
文章编号 ： １ ０ ０ １ — ４ ３ ２ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ４ １ ５ — ０ ４
列为 ： Ｔ Ｅ ＴＥ ［ Ｊ ｒ ＴＥ 一 ＨＥ
行 设计 ， 但 一般 具有 多 个 拍 频 周 期 ， 结 构较长， 带 宽 较 窄 。有 两 种 增 加 带 宽 的方 法 ， 一 种 是 一 周 期 模 式 转 换 器＿ ３ ］ ， 在 一个 准拍 频周 期 内实 现模式 转 换 ， 带 宽非 常 宽 ， 但 中心 频 点 转 换 效 率会 降低 ； 另 一 种 是 非均 匀 微 扰 结 构＿ ４ ］ ， 在 均匀 变化 的微 扰 上再 加一个 非 均匀 变化 的控 制微 扰 ， 但存 在 小 于输 入 口径 的结 构部 分 ， 功 率 容量 可 能 降低 。迭代 法为 近几 年快 速发 展 的一 种 过 模 波 导 器 件设 计 方 法 ［ ５ ］ ， 能 快速 实 现 器 件 优化 ， 但对 初 值 较 敏感 。 本 文在 传播 常数 随半 径 变化 的情 况下 近似 分析 了两 模转 换条 件 ， 并 计算 出模 式转 换器 的初 始结 构 ， 然后 调用 迭 代 法进 行优 化 ， 最终 能得 到结 构 紧凑 、 带 宽 较宽 、 转换 效率 高 的模 式 转 换器 ， 结 构 内部 口径均 不 小 于输 入 口径 。