目前,國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是解決能源問題的主要途徑之一,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,同時基于國內(nèi)研究現(xiàn)狀、考慮加工難易度、實驗的可行性等設(shè)計出多種準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),并且所設(shè)計的準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)在軟件仿真和實驗的驗證上保持一致,主要研究內(nèi)容分為五個部分。1.開展對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六個分量場分布全部表示出來,為采用矢量繞射理論的方法設(shè)計相位反射面打下基礎(chǔ)。3.采用矢量繞射理論設(shè)計規(guī)則鏡面。通過優(yōu)化規(guī)則鏡面,為140GHz、TE28,8模式設(shè)計的兩鏡面準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)功率傳輸效率達到89.03%;為94GHz、TE6,2模式設(shè)計的兩鏡面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)功率傳輸效率達到87.10%,并且通過實驗熱測證實了設(shè)計的正確性,同時還設(shè)計了三鏡面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),功率傳輸效率達到85.62%。4.采用矢量繞射理論,運用The Katsenelenbaum-Semenov算法為140GHz、TE28,8模式設(shè)計的雙相位反射面準(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)計的含有單個相位反射面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)功率傳輸效率達到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Denisov輻射器。為140GHz、TE28,8模式設(shè)計的有錐度Denisov輻射器長度為205.2mm,切口長度為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)計的有錐度Denisov輻射器總長度為49mm,切口長度為17mm,高斯波束含量為98.32%,最后仿真軟件(LOT)驗證了此設(shè)計的正確性。本文對準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)(輻射器和鏡面)進行詳細研究,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,根據(jù)回旋振蕩管具體的尺寸要求設(shè)計出多種準(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)計相位修正面,其結(jié)果比標(biāo)量繞射理論設(shè)計相位反射面更加準(zhǔn)確,最后設(shè)計出來的Denisov輻射器的性能也比同類型國內(nèi)外文獻所報道的要好。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：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 等勢圖的表示方法和功率的計算
    2.5 Vlasov輻射器的設(shè)計
        2.5.1 140GHz、TE28,8 模式Vlasov輻射器的設(shè)計
        2.5.2 94GHz、TE6,2 模式Vlasov輻射器的設(shè)計
    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 高斯波束的矢量場分布
        3.3.1 圓高斯波束的矢量場分布
        3.3.2 橢圓高斯波束的矢量場分布
    3.4 本章小結(jié)
第四章 規(guī)則反射面設(shè)計
    4.1 矢量繞射理論
    4.2 輻射場計算的驗證
        4.2.1 空間傳輸驗證
        4.2.2 平面反射驗證
        4.2.3 球面鏡驗證
28,8 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計'>    4.3 140GHz、TE_28,8 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計
6,2 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計'>    4.4 94GHz、TE_6,2 模式準(zhǔn)光模式變換器設(shè)計
        4.4.1 二個鏡面系統(tǒng)
        4.4.2 實驗驗證
        4.4.3 三個鏡面系統(tǒng)
    4.5 本章小結(jié)
第五章 相位反射面設(shè)計
    5.1 相位反射面的設(shè)計原理
    5.2 單個相位反射面的設(shè)計
        5.2.1 平面鏡的驗證
        5.2.2 球面鏡的驗證
    5.3 兩個相位反射面的設(shè)計原理
28,8 模式相位反射面的設(shè)計'>    5.4 140GHz、TE_28,8 模式相位反射面的設(shè)計
6,2 模式相位反射面的設(shè)計'>    5.5 94GHz、TE_6,2 模式相位反射面的設(shè)計
        5.5.1 單個相位反射面的設(shè)計
        5.5.2 兩個相位反射面的設(shè)計
    5.6 本章小結(jié)
第六章 Denisov輻射器的研究與設(shè)計
    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
    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)擾動幅度和擾動長度的計算
28,8 模式Denisov輻射器的設(shè)計'>    6.3 140GHz、TE_28,8 模式Denisov輻射器的設(shè)計
        6.3.1 有錐度輻射器的設(shè)計
        6.3.2 無錐度輻射器的設(shè)計
        6.3.3 輻射器設(shè)計的驗證
6,2模式Denisov輻射器的設(shè)計'>    6.4 94GHz、TE_6,2模式Denisov輻射器的設(shè)計
        6.4.1 有錐度輻射器的設(shè)計
        6.4.2 輻射器設(shè)計的驗證
        6.4.3 無錐度輻射器的設(shè)計
    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
攻讀博士學(xué)位期間取得的成果

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本文編號：2856569