94 GHz Vlasov准光模式变换器的设计

94 GHz Vlasov准光模式变换器的设计

王 康 佳

(惠州经济职业技术学院机电工程系，广东 惠州 516057)

摘要：利用几何光学理论分析Vlasov辐射器的辐射原理，依据原理并结合基于矢量绕射理论的Stratton-Chu公式编写数值计算软件。设计出TE6,2模94 GHz准光模式变换器，并使用Feko三维仿真电磁软件对准光模式变换系统进行仿真分析。仿真结果表明系统的总效率达到94.2%，矢量高斯含量达92%。

关键词：Vlasov辐射器；准光模式变换；Feko；变换效率

中图分类号：TN 814

DOI：10.3969/j.issn.1673-1492.2015.03.002

基金项目：宿州学院校级教研项目:“单片机项目教学法的探索与研究”(szxyjyxm201307);宿州学院校级教研项目:“机电一体化工程项目教学模式探讨”(szxyjyxm201310);宿州学院校级教研项目:“应用型高校物理实验教学改革研究”(szxyjyxm201309)

作者简介：李娜(1983-)，女，安徽宿州人，博士研究生，主要研究方向为无线通信与个人通信。

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

在高频率、高功率方面，回旋管是一个很好的选择。回旋管一般工作在高阶模式，早期回旋管中的模式变换采用波导模式变换器实现，对于高阶边廊模，传统的波导模式变换器会变得结构复杂，不利于系统集成，而且波导模式变换中电子束和微波沿相同的路径传播，不利于提高系统效率和稳定性[1]。准光模式变换器最初是由苏联科学家Vlasov提出的准光天线发展而来，因为采用敞开式波导结构，准光模式变换器有很高的功率容量，是高功率模式变换比较适用的方法。之后，苏联科学家Denisov对Vlasov辐射器进行了改进，提高了模式变换的效率。这种模式变换器称为Denisov模式变换器或者Denisov辐射器，一般准光模式变换系统包括辐射器和相位校正镜两个部分。

目前国外对准光模式变换器的研究比较成熟，国内的研究才刚起步。本文介绍了Vlasov辐射器的基本原理，并设计出TE6,2模94GHz准光模式变换器。

1结构和辐射机理

1.1　Vlasov辐射器的辐射原理

设圆波导的半径为a，则波导中的TEmn模式的场分布可以表示为[2]：

u(r,φ,z)=AmnJm(krr)e±jmφe±jkzz

(1)

其中:

将Bessel函数的积分展开式:

(2)

由此可以看出TEmn场可以表示为无穷多个平面波的叠加：

E∝ejkS

其中：

(3)

求解程函方程：|ds|2=1得：

(4)

图1　圆柱波导中TE mn模的传播过程

由简单的几何关系可以得到如下参数：

图2　辐射器结构

微波在波导内的传播方向与纵向ez的夹角[3](称为布里渊角)为：

(5)

两个反射点之间的纵向长度为：

LB=2a·sinθcotψ

围绕波导一周，沿纵向传播的长度为：

(6)

不难得到Lc即为辐射器切口长度。

1.2　准光模式变换器结构

对于辐射器辐射出来的波束，因为方向性差和能量不集中，还需通过多级镜面系统进行聚焦[4]。一般来说，准光模式变换器有2镜、3镜和多镜等不同类型。本文中采用比较常用的3镜系统进行聚焦处理，整个准光模式变换系统的结构如图3所示。其中M1是准椭圆镜面，M2为椭圆抛物面镜面，M3为平面镜。

图3　模式变换器整体结构

表1　镜面位置参数

对于波导半径为7 mm、工作频率为94 GHz、工作模式为TE6,2模的回旋管，根据(6)式可以计算出辐射器的切口长度为Lc=22.56 mm；各级镜面的位置可以使用几何光学来大致确定，按照图3中的坐标，本文中各级镜面的具体位置如表1所示。

2准光模式变换器数值分析

2.1　各级镜面场分布计算

在计算镜面场分布的时候，为了保证精度，我们采用基于矢量衍射的Stratton-Chu公式[5]：

(7)

Es和Hs是源场区域S内的场分布，in为源场区域法向量。φ是自由空间的格林函数：

(8)

由此在已知源场分布的情况下，可以得到空间中任一点的场强。

2.2　相位校正分析

对于准光模式变换器，要求输出波束中高斯含量尽量高，输出波束在各点的方向尽量一致，这样传播时的损耗就会更少，同时也会更利于天线发射。但是波束在传播的过程中，如果不做其他处理，一般很难保证这一要求，因此，在设计中引入了KSA相位校正算法[6]。相位校正的基本原理是在反射镜上引入一个微小变量，使得波束在输出窗处的相位一致，如图4所示。

由扰动Δz引起的波束相位变化为：

Δφ=K0ΔL=K02Δzcos(γ)

(9)

图4　相位校正原理

将反射镜离散化之后，采用KSA算法计算出各离散点的扰动值，在将经相位校正后的离散点拟合为曲面，即可保证输出波束的相位分布更一致。经过相位校正后的反射镜面不再是光滑的曲面，而是带有微小扰动的曲面。论文中M3为相位校正镜。

3数值计算与仿真

计算中先使用FEKO仿真出辐射器辐射场分布，导入到Matlab中，使用矢量衍射积分计算出每个镜面上的壁电流分布，图5-8是FEKO仿真结果和Matlab数值计算结果的对比，不难看出两者结果比较一致。FEKO仿真结果显示系统的总效率为94.2%，矢量高斯含量高于92%。图9是波束传播的截面图，从图中可以看出波束传播时有些位置的波束传播方向不太一致，衍射损耗比较大，这也是Vlasov准光模式变换器的一个缺点[7]。

(a)(b)
图5椭圆镜面壁电流分布

(a)(b)
图6圆抛物面壁电流分布

(a)(b)
图7面镜壁电流分布

(a)(b)
图8圆抛物面壁电流分布

图9　波束传播截面图

4结论

本文详细介绍了Vlasov辐射器的原理，依据原理设计了TE6,2模94 GHz准光模式变换器，并使用Feko三维电磁仿真软件进行仿真分析，验证了上述理论，为后续更高效率回旋管设计提供了参考。但这个TE6,2准光模式变换器还需要优化改进，高斯模式纯度还需进一步提高到98%以上，以利于天线的发射。

参考文献：

[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]黄宏嘉.微波原理(卷Ⅱ)[M].北京：科学出版社，1964:20-84.

[3]金建波.同轴回旋管准光模式转换器[D].成都：西南交通大学，2005.

[4]刘建卫，赵青，李宏福.94 GHz回旋管准光模式变换器设计[J].物理学报，2011,60(10):104201-104205.

[5]刘建卫，赵青.准光模式变换器研究与设计[J].强激光与粒子束，2013，25(10)：2664-2666.

[6]牛新建，顾铃，于新华,等.94 GHzTE6,2模内置准光模式变换器[J].红外与毫米波学报,2011，30(05):429-433.

[7]王虎，沈文渊，耿志辉,等.高功率回旋振荡管Denisov型辐射器的研究[J].物理学报，2013，62(23):406-414.

[责任编辑：刘守义英文编辑：刘彦哲]