准光模式变换器研究与设计

发布时间：2020-10-26 05:32

　　 目前,国际热核聚变实验堆(ITER)计划是解决能源问题的主要途径之一,其中需要高功率回旋振荡管作为电子回旋共振加热(ECRH)的微波源。但是用于加热等离子体的高功率回旋管均工作在高阶模式,这种模式不利于传播,因此需要准光模式变换器将高阶模式转换成高斯波束。准光模式变换器由辐射器和镜面组成,辐射器又可以分为Vlasov辐射器和Denisov辐射器,镜面可分为规则镜面和相位修正镜面。本文在理论上全面系统的研究了140GHz、TE28,8模式和94GHz、TE6,2模式的准光模式变换器,同时基于国内研究现状、考虑加工难易度、实验的可行性等设计出多种准光模式变换器系统,并且所设计的准光模式变换器系统在软件仿真和实验的验证上保持一致,主要研究内容分为五个部分。1.开展对Vlasov辐射器的研究。首先推导了横电波(TE模式)和横磁波(TM模式)在波导中的传播,然后采用几何光学理论分析了微波在波导中的传播,分别设计出用于140GHz、TE28,8模式和94GHz、TE6,2模式的Vlasov辐射器,Vlasov辐射器的优点是易于加工。2.分析了高斯波束在空间中传输特性,将圆高斯波束和椭圆高斯波束电磁场六个分量场分布全部表示出来,为采用矢量绕射理论的方法设计相位反射面打下基础。3.采用矢量绕射理论设计规则镜面。通过优化规则镜面,为140GHz、TE28,8模式设计的两镜面准光模式变换系统功率传输效率达到89.03%;为94GHz、TE6,2模式设计的两镜面准光模式变换器系统功率传输效率达到87.10%,并且通过实验热测证实了设计的正确性,同时还设计了三镜面准光模式变换器系统,功率传输效率达到85.62%。4.采用矢量绕射理论,运用The Katsenelenbaum-Semenov算法为140GHz、TE28,8模式设计的双相位反射面准光模式变换系统功率传输效率为93.33%,高斯波束矢量相关系数为97.71%,标量相关系数为99.11%;为94GHz、TE6,2模式设计的含有单个相位反射面准光模式变换器系统功率传输效率达到88.39%,高斯波束矢量相关系数为91.32%,标量相关系数为94.94%,双相位反射面准光模式变换器系统功率传输效率达到88.39%,高斯波束矢量相关系数为99.23%,标量相关系数为99.43%。5.采用耦合波理论设计Denisov辐射器。为140GHz、TE28,8模式设计的有锥度Denisov辐射器长度为205.2mm,切口长度为47.2mm,在Denisov辐射器螺旋切口Brillouin区内高斯模式标量相关系数大于98%,矢量相关系数大于85%。为94GHz、TE6,2模式设计的有锥度Denisov辐射器总长度为49mm,切口长度为17mm,高斯波束含量为98.32%,最后仿真软件(LOT)验证了此设计的正确性。本文对准光模式变换器系统(辐射器和镜面)进行详细研究,完成了一般规则镜面和相位修正面以及Denisov辐射器程序的编写,根据回旋振荡管具体的尺寸要求设计出多种准光模式变换器系统,特别是首次采用矢量绕射理论的方法设计相位修正面,其结果比标量绕射理论设计相位反射面更加准确,最后设计出来的Denisov辐射器的性能也比同类型国内外文献所报道的要好。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL64
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 回旋管
        1.1.1 回旋振荡管的结构
        1.1.2 回旋振荡管的发展
            1.1.2.1 欧盟回旋管联盟
            1.1.2.2 美国通信与功率工业公司（CPI）
            1.1.2.3 俄罗斯科学院应用物理研究所（IAP）与Gycom公司
            1.1.2.4 日本原子能研究所（JAEAI）与TOSHIBA公司
            1.1.2.5 电子科技大学与中国科学院电子学研究所
    1.2 模式变换器的发展
        1.2.1 波导模式变换器
        1.2.2 准光模式变换器
        1.2.3 准光模式变换器的发展
    1.3 本学位论文的意义
    1.4 本学位论文的创新点以及主要工作
第二章 Vlasov辐射器的研究
    2.1 微波在圆波导中的传播
    2.2 几何光学理论分析微波在圆波导中的传播
    2.3 Vlasov辐射器
    2.4 等势图的表示方法和功率的计算
    2.5 Vlasov辐射器的设计
        2.5.1 140GHz、TE28,8 模式Vlasov辐射器的设计
        2.5.2 94GHz、TE6,2 模式Vlasov辐射器的设计
    2.6 本章小结
第三章 高斯波束
    3.1 高斯波束
        3.1.1 圆高斯波束
        3.1.2 椭圆高斯波束
    3.2 高斯波束的变换
    3.3 高斯波束的矢量场分布
        3.3.1 圆高斯波束的矢量场分布
        3.3.2 椭圆高斯波束的矢量场分布
    3.4 本章小结
第四章 规则反射面设计
    4.1 矢量绕射理论
    4.2 辐射场计算的验证
        4.2.1 空间传输验证
        4.2.2 平面反射验证
        4.2.3 球面镜验证
28,8 模式准光模式变换器设计'>    4.3 140GHz、TE_28,8 模式准光模式变换器设计
6,2 模式准光模式变换器设计'>    4.4 94GHz、TE_6,2 模式准光模式变换器设计
        4.4.1 二个镜面系统
        4.4.2 实验验证
        4.4.3 三个镜面系统
    4.5 本章小结
第五章 相位反射面设计
    5.1 相位反射面的设计原理
    5.2 单个相位反射面的设计
        5.2.1 平面镜的验证
        5.2.2 球面镜的验证
    5.3 两个相位反射面的设计原理
28,8 模式相位反射面的设计'>    5.4 140GHz、TE_28,8 模式相位反射面的设计
6,2 模式相位反射面的设计'>    5.5 94GHz、TE_6,2 模式相位反射面的设计
        5.5.1 单个相位反射面的设计
        5.5.2 两个相位反射面的设计
    5.6 本章小结
第六章 Denisov辐射器的研究与设计
    6.1 Denisov辐射器
        6.1.1 Denisov辐射器工作原理
        6.1.2 波纹波导的设计
    6.2 耦合波理论
        6.2.1 波纹波导的耦合波方程和耦合系数
        6.2.2 波纹波导扰动幅度和扰动长度的计算
28,8 模式Denisov辐射器的设计'>    6.3 140GHz、TE_28,8 模式Denisov辐射器的设计
        6.3.1 有锥度辐射器的设计
        6.3.2 无锥度辐射器的设计
        6.3.3 辐射器设计的验证
6,2模式Denisov辐射器的设计'>    6.4 94GHz、TE_6,2模式Denisov辐射器的设计
        6.4.1 有锥度辐射器的设计
        6.4.2 辐射器设计的验证
        6.4.3 无锥度辐射器的设计
    6.5 本章小结
第七章 全文总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果

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本文编号：2856569