94 GHz Vlasov準(zhǔn)光模式變換器的設(shè)計(jì)

王 康 佳

(惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 惠州 516057)

摘要：利用幾何光學(xué)理論分析Vlasov輻射器的輻射原理，依據(jù)原理并結(jié)合基于矢量繞射理論的Stratton-Chu公式編寫數(shù)值計(jì)算軟件。設(shè)計(jì)出TE6,2模94 GHz準(zhǔn)光模式變換器，并使用Feko三維仿真電磁軟件對(duì)準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的總效率達(dá)到94.2%，矢量高斯含量達(dá)92%。

關(guān)鍵詞：Vlasov輻射器；準(zhǔn)光模式變換；Feko；變換效率

中圖分類號(hào)：TN 814

DOI：10.3969/j.issn.1673-1492.2015.03.002

基金項(xiàng)目：宿州學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目:“單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)法的探索與研究”(szxyjyxm201307);宿州學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目:“機(jī)電一體化工程項(xiàng)目教學(xué)模式探討”(szxyjyxm201310);宿州學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目:“應(yīng)用型高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究”(szxyjyxm201309)

作者簡(jiǎn)介：李娜(1983-)，女，安徽宿州人，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與個(gè)人通信。

Design of 94 GHz Vlasov Quasi-Optical Mode Converter

WANG Kang-jia

(Department of Electrical and Mechanical Engineering,Huizhou Economics and Polytechnic College,Huizhou，Guangdong 516057，China)

Abstract:Based on geometrical optics theory,the radiation principle of Vlasov radiator was analyzed.Using the principle of Stratton-Chu formula of vector diffraction theory,a numerical calculation software was developed.The TE6,2 mode 94 GHz quasi-optical mode converter was designed and the simulation analysis was carried out using the Feko 3D-electromagnetic simulation software.The simulation results showed that the system overall efficiency reached 94.2%,and vector Gauss content 92%.

Key words:Vlasov launcher;Quasi-optical mode converter;Feko;conversion efficiency

0引言

在高頻率、高功率方面，回旋管是一個(gè)很好的選擇?；匦芤话愎ぷ髟诟唠A模式，早期回旋管中的模式變換采用波導(dǎo)模式變換器實(shí)現(xiàn)，對(duì)于高階邊廊模，傳統(tǒng)的波導(dǎo)模式變換器會(huì)變得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于系統(tǒng)集成，而且波導(dǎo)模式變換中電子束和微波沿相同的路徑傳播，不利于提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性[1]。準(zhǔn)光模式變換器最初是由蘇聯(lián)科學(xué)家Vlasov提出的準(zhǔn)光天線發(fā)展而來(lái)，因?yàn)椴捎贸ㄩ_式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)光模式變換器有很高的功率容量，是高功率模式變換比較適用的方法。之后，蘇聯(lián)科學(xué)家Denisov對(duì)Vlasov輻射器進(jìn)行了改進(jìn)，提高了模式變換的效率。這種模式變換器稱為Denisov模式變換器或者Denisov輻射器，一般準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)包括輻射器和相位校正鏡兩個(gè)部分。

目前國(guó)外對(duì)準(zhǔn)光模式變換器的研究比較成熟，國(guó)內(nèi)的研究才剛起步。本文介紹了Vlasov輻射器的基本原理，并設(shè)計(jì)出TE6,2模94GHz準(zhǔn)光模式變換器。

1結(jié)構(gòu)和輻射機(jī)理

1.1　Vlasov輻射器的輻射原理

設(shè)圓波導(dǎo)的半徑為a，則波導(dǎo)中的TEmn模式的場(chǎng)分布可以表示為[2]：

u(r,φ,z)=AmnJm(krr)e±jmφe±jkzz

(1)

其中:

將Bessel函數(shù)的積分展開式:

(2)

由此可以看出TEmn場(chǎng)可以表示為無(wú)窮多個(gè)平面波的疊加：

E∝ejkS

其中：

(3)

求解程函方程：|ds|2=1得：

(4)

圖1　圓柱波導(dǎo)中TE mn模的傳播過(guò)程

由簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系可以得到如下參數(shù)：

圖2　輻射器結(jié)構(gòu)

微波在波導(dǎo)內(nèi)的傳播方向與縱向ez的夾角[3](稱為布里淵角)為：

(5)

兩個(gè)反射點(diǎn)之間的縱向長(zhǎng)度為：

LB=2a·sinθcotψ

圍繞波導(dǎo)一周，沿縱向傳播的長(zhǎng)度為：

(6)

不難得到Lc即為輻射器切口長(zhǎng)度。

1.2　準(zhǔn)光模式變換器結(jié)構(gòu)

對(duì)于輻射器輻射出來(lái)的波束，因?yàn)榉较蛐圆詈湍芰坎患?，還需通過(guò)多級(jí)鏡面系統(tǒng)進(jìn)行聚焦[4]。一般來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)光模式變換器有2鏡、3鏡和多鏡等不同類型。本文中采用比較常用的3鏡系統(tǒng)進(jìn)行聚焦處理，整個(gè)準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中M1是準(zhǔn)橢圓鏡面，M2為橢圓拋物面鏡面，M3為平面鏡。

圖3　模式變換器整體結(jié)構(gòu)

表1　鏡面位置參數(shù)

對(duì)于波導(dǎo)半徑為7 mm、工作頻率為94 GHz、工作模式為TE6,2模的回旋管，根據(jù)(6)式可以計(jì)算出輻射器的切口長(zhǎng)度為L(zhǎng)c=22.56 mm；各級(jí)鏡面的位置可以使用幾何光學(xué)來(lái)大致確定，按照?qǐng)D3中的坐標(biāo)，本文中各級(jí)鏡面的具體位置如表1所示。

2準(zhǔn)光模式變換器數(shù)值分析

2.1　各級(jí)鏡面場(chǎng)分布計(jì)算

在計(jì)算鏡面場(chǎng)分布的時(shí)候，為了保證精度，我們采用基于矢量衍射的Stratton-Chu公式[5]：

(7)

Es和Hs是源場(chǎng)區(qū)域S內(nèi)的場(chǎng)分布，in為源場(chǎng)區(qū)域法向量。φ是自由空間的格林函數(shù)：

(8)

由此在已知源場(chǎng)分布的情況下，可以得到空間中任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。

2.2　相位校正分析

對(duì)于準(zhǔn)光模式變換器，要求輸出波束中高斯含量盡量高，輸出波束在各點(diǎn)的方向盡量一致，這樣傳播時(shí)的損耗就會(huì)更少，同時(shí)也會(huì)更利于天線發(fā)射。但是波束在傳播的過(guò)程中，如果不做其他處理，一般很難保證這一要求，因此，在設(shè)計(jì)中引入了KSA相位校正算法[6]。相位校正的基本原理是在反射鏡上引入一個(gè)微小變量，使得波束在輸出窗處的相位一致，如圖4所示。

由擾動(dòng)Δz引起的波束相位變化為：

Δφ=K0ΔL=K02Δzcos(γ)

(9)

圖4　相位校正原理

將反射鏡離散化之后，采用KSA算法計(jì)算出各離散點(diǎn)的擾動(dòng)值，在將經(jīng)相位校正后的離散點(diǎn)擬合為曲面，即可保證輸出波束的相位分布更一致。經(jīng)過(guò)相位校正后的反射鏡面不再是光滑的曲面，而是帶有微小擾動(dòng)的曲面。論文中M3為相位校正鏡。

3數(shù)值計(jì)算與仿真

計(jì)算中先使用FEKO仿真出輻射器輻射場(chǎng)分布，導(dǎo)入到Matlab中，使用矢量衍射積分計(jì)算出每個(gè)鏡面上的壁電流分布，圖5-8是FEKO仿真結(jié)果和Matlab數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，不難看出兩者結(jié)果比較一致。FEKO仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)的總效率為94.2%，矢量高斯含量高于92%。圖9是波束傳播的截面圖，從圖中可以看出波束傳播時(shí)有些位置的波束傳播方向不太一致，衍射損耗比較大，這也是Vlasov準(zhǔn)光模式變換器的一個(gè)缺點(diǎn)[7]。

(a)(b)
圖5橢圓鏡面壁電流分布

(a)(b)
圖6圓拋物面壁電流分布

(a)(b)
圖7面鏡壁電流分布

(a)(b)
圖8圓拋物面壁電流分布

圖9　波束傳播截面圖

4結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了Vlasov輻射器的原理，依據(jù)原理設(shè)計(jì)了TE6,2模94 GHz準(zhǔn)光模式變換器，并使用Feko三維電磁仿真軟件進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了上述理論，為后續(xù)更高效率回旋管設(shè)計(jì)提供了參考。但這個(gè)TE6,2準(zhǔn)光模式變換器還需要優(yōu)化改進(jìn)，高斯模式純度還需進(jìn)一步提高到98%以上，以利于天線的發(fā)射。

參考文獻(xiàn)：

[1]Flamm J H.Diffraction and Scattering in Launchers of Quasi-Optical Mode Converters for Gyrotrons[M].Karlsruhe:KIT Scientific Publishing,2012：25-26.

[2]黃宏嘉.微波原理(卷Ⅱ)[M].北京：科學(xué)出版社，1964:20-84.

[3]金建波.同軸回旋管準(zhǔn)光模式轉(zhuǎn)換器[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[4]劉建衛(wèi)，趙青，李宏福.94 GHz回旋管準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計(jì)[J].物理學(xué)報(bào)，2011,60(10):104201-104205.

[5]劉建衛(wèi)，趙青.準(zhǔn)光模式變換器研究與設(shè)計(jì)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2013，25(10)：2664-2666.

[6]牛新建，顧鈴，于新華,等.94 GHzTE6,2模內(nèi)置準(zhǔn)光模式變換器[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2011，30(05):429-433.

[7]王虎，沈文淵，耿志輝,等.高功率回旋振蕩管Denisov型輻射器的研究[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62(23):406-414.

[責(zé)任編輯：劉守義英文編輯：劉彥哲]