A compact dual-frequency quasi-optical mode converter (QOMC) for high-performance gyrotrons, operating in the mode at 104.9 GHz and the mode at 140 GHz, has been developed. This converter utilizes a dimpled wall launcher and incorporates perturbations based on coupled mode theory, supported by a specialized mirror system. To analyze the electromagnetic field in the launcher wall for both frequencies, a MATLAB code was developed. The radiation field emitted by the launcher is evaluated in free space, while the mirror system consists of a quasi-elliptical mirror, an elliptical mirror, and a parabolic mirror, ensuring precise phase correction. Optimizing key parameters such as radius, perturbation amplitude, and length successfully achieved efficient mode conversion and beam shaping within a compact 130 mm design. Comprehensive simulations using FEKO confirmed that this shortened launcher maintains high mode purity and low loss. Remarkably, its length is significantly shorter than other existing models and typical theoretical estimates, demonstrating the effectiveness of parameter optimization in developing compact, high-performance launchers. The results indicate that the total length of the launcher is only 130 mm, with a cut length of 20 mm, comprising 15.38% of the total launcher length. Simulation results show that after phase correction, the Gaussian mode content reaches 99.14% and 97.23% at 104.9 GHz, and 98.64% and 96.44% at 140 GHz for scalar and vector Gaussian modes, respectively. These findings highlight the proposed dual-frequency mode converter’s excellence in generating Gaussian beams while maintaining a compact and efficient design. This work presents a practical approach to optimizing QOMCs for dual-frequency gyrotrons, expanding their potential applications in high-power millimeter-wave systems.
コンパクトな二周波準光学モード変換器（QOMC）が開発された。これは、高性能ジャイロトロン用であり、104.9 GHz の モードおよび 140 GHz の モードで動作する。本変換器は、ディンプル壁ランチャを利用し、結合モード理論に基づく摂動を組み込んでおり、専用のミラーシステムによって支持されている。両周波数におけるランチャ壁内の電磁界を解析するため、MATLABコードが開発された。ランチャから放射される放射界は自由空間で評価され、ミラーシステムは準ラーシステムは準楕円ミラー、楕円ミラー、放物面ミラーから構成され、正確な位相補正を保証する。半径、摂動振幅、長さなどの主要パラメータを最適化することにより、コンパクトな130 mm設計内での高効率なモード変換とビーム整形が達成された。FEKOを用いた包括的シミュレーションにより、この短縮ランチャが高いモード純度と低損失を維持することが確認された。注目すべきは、その長さが他の既存モデルや典型的な理論的推定値よりも大幅に短いことであり、コンパクトで高性能なランチャの開発におけるパラメータ最適化の有効性が実証された。結果は、ランチャの全長がわずか130 mmであり、切断長は20 mmで、ランチャ全長の15.38%を占めることを示している。シミュレーション結果によると、位相補正後、ガウスモード含有率は、スカラーおよびベクトルガウスモードについて、104.9 GHz ではそれぞれ99.14%と97.23%、140 GHz ではそれぞれ98.64%と96.44%に達する。これらの知見は、提案された二周波モード変換器が、コンパクトで効率的な設計を維持しながらガウスビームの生成に優れていることを強調するものである。本研究は、二周波ジャイロトロン用QOMCを最適化するための実用的なアプローチを提示し、高電力ミリ波システムにおけるその可能性を広げるものである。