目前,國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃是解決能源問(wèn)題的主要途徑之一,其中需要高功率回旋振蕩管作為電子回旋共振加熱(ECRH)的微波源。但是用于加熱等離子體的高功率回旋管均工作在高階模式,這種模式不利于傳播,因此需要準(zhǔn)光模式變換器將高階模式轉(zhuǎn)換成高斯波束。準(zhǔn)光模式變換器由輻射器和鏡面組成,輻射器又可以分為Vlasov輻射器和Denisov輻射器,鏡面可分為規(guī)則鏡面和相位修正鏡面。本文在理論上全面系統(tǒng)的研究了140GHz、TE28,8模式和94GHz、TE6,2模式的準(zhǔn)光模式變換器,同時(shí)基于國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀、考慮加工難易度、實(shí)驗(yàn)的可行性等設(shè)計(jì)出多種準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),并且所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)在軟件仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證上保持一致,主要研究?jī)?nèi)容分為五個(gè)部分。1.開(kāi)展對(duì)Vlasov輻射器的研究。首先推導(dǎo)了橫電波(TE模式)和橫磁波(TM模式)在波導(dǎo)中的傳播,然后采用幾何光學(xué)理論分析了微波在波導(dǎo)中的傳播,分別設(shè)計(jì)出用于140GHz、TE28,8模式和94GHz、TE6,2模式的Vlasov輻射器,Vlasov輻射器的優(yōu)點(diǎn)是易于加工。2.分析了高斯波束在空間中傳輸特性,將圓高斯波束和橢圓高斯波束電磁場(chǎng)六個(gè)分量場(chǎng)分布全部表示出來(lái),為采用矢量繞射理論的方法設(shè)計(jì)相位反射面打下基礎(chǔ)。3.采用矢量繞射理論設(shè)計(jì)規(guī)則鏡面。通過(guò)優(yōu)化規(guī)則鏡面,為140GHz、TE28,8模式設(shè)計(jì)的兩鏡面準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)功率傳輸效率達(dá)到89.03%;為94GHz、TE6,2模式設(shè)計(jì)的兩鏡面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)功率傳輸效率達(dá)到87.10%,并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)熱測(cè)證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性,同時(shí)還設(shè)計(jì)了三鏡面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),功率傳輸效率達(dá)到85.62%。4.采用矢量繞射理論,運(yùn)用The Katsenelenbaum-Semenov算法為140GHz、TE28,8模式設(shè)計(jì)的雙相位反射面準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)功率傳輸效率為93.33%,高斯波束矢量相關(guān)系數(shù)為97.71%,標(biāo)量相關(guān)系數(shù)為99.11%;為94GHz、TE6,2模式設(shè)計(jì)的含有單個(gè)相位反射面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)功率傳輸效率達(dá)到88.39%,高斯波束矢量相關(guān)系數(shù)為91.32%,標(biāo)量相關(guān)系數(shù)為94.94%,雙相位反射面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)功率傳輸效率達(dá)到88.39%,高斯波束矢量相關(guān)系數(shù)為99.23%,標(biāo)量相關(guān)系數(shù)為99.43%。5.采用耦合波理論設(shè)計(jì)Denisov輻射器。為140GHz、TE28,8模式設(shè)計(jì)的有錐度Denisov輻射器長(zhǎng)度為205.2mm,切口長(zhǎng)度為47.2mm,在Denisov輻射器螺旋切口Brillouin區(qū)內(nèi)高斯模式標(biāo)量相關(guān)系數(shù)大于98%,矢量相關(guān)系數(shù)大于85%。為94GHz、TE6,2模式設(shè)計(jì)的有錐度Denisov輻射器總長(zhǎng)度為49mm,切口長(zhǎng)度為17mm,高斯波束含量為98.32%,最后仿真軟件(LOT)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的正確性。本文對(duì)準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)(輻射器和鏡面)進(jìn)行詳細(xì)研究,完成了一般規(guī)則鏡面和相位修正面以及Denisov輻射器程序的編寫(xiě),根據(jù)回旋振蕩管具體的尺寸要求設(shè)計(jì)出多種準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),特別是首次采用矢量繞射理論的方法設(shè)計(jì)相位修正面,其結(jié)果比標(biāo)量繞射理論設(shè)計(jì)相位反射面更加準(zhǔn)確,最后設(shè)計(jì)出來(lái)的Denisov輻射器的性能也比同類(lèi)型國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)所報(bào)道的要好。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類(lèi)】：TL64
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 回旋管
        1.1.1 回旋振蕩管的結(jié)構(gòu)
        1.1.2 回旋振蕩管的發(fā)展
            1.1.2.1 歐盟回旋管聯(lián)盟
            1.1.2.2 美國(guó)通信與功率工業(yè)公司（CPI）
            1.1.2.3 俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所（IAP）與Gycom公司
            1.1.2.4 日本原子能研究所（JAEAI）與TOSHIBA公司
            1.1.2.5 電子科技大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所
    1.2 模式變換器的發(fā)展
        1.2.1 波導(dǎo)模式變換器
        1.2.2 準(zhǔn)光模式變換器
        1.2.3 準(zhǔn)光模式變換器的發(fā)展
    1.3 本學(xué)位論文的意義
    1.4 本學(xué)位論文的創(chuàng)新點(diǎn)以及主要工作
第二章 Vlasov輻射器的研究
    2.1 微波在圓波導(dǎo)中的傳播
    2.2 幾何光學(xué)理論分析微波在圓波導(dǎo)中的傳播
    2.3 Vlasov輻射器
    2.4 等勢(shì)圖的表示方法和功率的計(jì)算
    2.5 Vlasov輻射器的設(shè)計(jì)
        2.5.1 140GHz、TE28,8 模式Vlasov輻射器的設(shè)計(jì)
        2.5.2 94GHz、TE6,2 模式Vlasov輻射器的設(shè)計(jì)
    2.6 本章小結(jié)
第三章 高斯波束
    3.1 高斯波束
        3.1.1 圓高斯波束
        3.1.2 橢圓高斯波束
    3.2 高斯波束的變換
    3.3 高斯波束的矢量場(chǎng)分布
        3.3.1 圓高斯波束的矢量場(chǎng)分布
        3.3.2 橢圓高斯波束的矢量場(chǎng)分布
    3.4 本章小結(jié)
第四章 規(guī)則反射面設(shè)計(jì)
    4.1 矢量繞射理論
    4.2 輻射場(chǎng)計(jì)算的驗(yàn)證
        4.2.1 空間傳輸驗(yàn)證
        4.2.2 平面反射驗(yàn)證
        4.2.3 球面鏡驗(yàn)證
28,8 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計(jì)'>    4.3 140GHz、TE_28,8 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計(jì)
6,2 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計(jì)'>    4.4 94GHz、TE_6,2 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計(jì)
        4.4.1 二個(gè)鏡面系統(tǒng)
        4.4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        4.4.3 三個(gè)鏡面系統(tǒng)
    4.5 本章小結(jié)
第五章 相位反射面設(shè)計(jì)
    5.1 相位反射面的設(shè)計(jì)原理
    5.2 單個(gè)相位反射面的設(shè)計(jì)
        5.2.1 平面鏡的驗(yàn)證
        5.2.2 球面鏡的驗(yàn)證
    5.3 兩個(gè)相位反射面的設(shè)計(jì)原理
28,8 模式相位反射面的設(shè)計(jì)'>    5.4 140GHz、TE_28,8 模式相位反射面的設(shè)計(jì)
6,2 模式相位反射面的設(shè)計(jì)'>    5.5 94GHz、TE_6,2 模式相位反射面的設(shè)計(jì)
        5.5.1 單個(gè)相位反射面的設(shè)計(jì)
        5.5.2 兩個(gè)相位反射面的設(shè)計(jì)
    5.6 本章小結(jié)
第六章 Denisov輻射器的研究與設(shè)計(jì)
    6.1 Denisov輻射器
        6.1.1 Denisov輻射器工作原理
        6.1.2 波紋波導(dǎo)的設(shè)計(jì)
    6.2 耦合波理論
        6.2.1 波紋波導(dǎo)的耦合波方程和耦合系數(shù)
        6.2.2 波紋波導(dǎo)擾動(dòng)幅度和擾動(dòng)長(zhǎng)度的計(jì)算
28,8 模式Denisov輻射器的設(shè)計(jì)'>    6.3 140GHz、TE_28,8 模式Denisov輻射器的設(shè)計(jì)
        6.3.1 有錐度輻射器的設(shè)計(jì)
        6.3.2 無(wú)錐度輻射器的設(shè)計(jì)
        6.3.3 輻射器設(shè)計(jì)的驗(yàn)證
6,2模式Denisov輻射器的設(shè)計(jì)'>    6.4 94GHz、TE_6,2模式Denisov輻射器的設(shè)計(jì)
        6.4.1 有錐度輻射器的設(shè)計(jì)
        6.4.2 輻射器設(shè)計(jì)的驗(yàn)證
        6.4.3 無(wú)錐度輻射器的設(shè)計(jì)
    6.5 本章小結(jié)
第七章 全文總結(jié)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 后續(xù)工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的成果

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