Синтез высокоэффективных многомодовых волноводных компонентов

• Автор: Соболев, Дмитрий Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 82 с. : ил.

1. МЕТОД СИНТЕЗА ВОЛНОВОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
2. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ДЛЯ ОДНОМЕРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ВОЛНОВОДА
2.1. Изогнутый гладкий волновод круглого сечения постоянного радиуса
2.2. Прямой волновод круглого сечения переменного радиуса
2.3. Синтезированные волноводные компоненты
2.3.1. Волноводный преобразователь моды ТМ0, в гауссов волновой пучок
2.3.2. Волноводный поворот на 90° с сохранением моды ТЕ,,
2.3.3. Волноводный преобразователь моды ТЕ0[ в моду ТЕ,,
2.3.4. Волноводные повороты на 90° и 180° с сохранением моды ТЕ0,
2.3.5. Волноводный преобразователь моды ТЕ|2 в специальную смесь мод ТЕП и ТЕ,2 с пулевым азимутальным магнитным полем на стенке
2.3.6. Гладкий волноводный рупор для перехода с моды ТЕп гладкого волновода на
моду НЕц гофрированного волновода большего радиуса для частоты 170 ГГц
2.3.7. Гофрированные волноводные рупора для перехода на волновод большего
диаметра с сохранением моды НЕц
2.3.8. Волноводный рупор, преобразующий моду ТЕ0| в специальную смесь ТЕ0„ мод
для оптимизации прохождения мощных пучков через окно
3. СИНТЕЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ДВУМЕРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ВОЛНОВОДА
3.1. Двумерная реализация метода
3.2. Примеры синтезированных преобразователей с двумерной деформацией поверхности
3.2.1. Преобразователь моды ТМ0>, во вращающуюся моду ТЕ3>,
3.2.2. Выходной гиротронный преобразователь
4. СИНТЕЗ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ
4.1. Метод синтеза широкополосных волноводных компонентов
4.2. Синтезированные широкополосные волноводные компоненты
4.2.1. Преобразователь моды ТМ0,, во вращающуюся моду ТЕ3,,
4.2.2. Преобразователь моды ТМ0,і в моду ТЕ,,52
4.2.3. Преобразователь моды ТЕМ гладкого волновода в моду НЕ,, гофрнрованнного волновода
4.2.4. Поворот на 90° с сохранением моды ТЕ,.,
5. МЕТОД МИНИМИЗАЦИИ ПОТЕРЬ В РАЗРЫВАХ СВЕРХРАЗМЕРНЫХ ВОЛНОВОДОВ
5.1. Алгоритм синтеза волноводно-квазиоптнческих элементов с минимальными потерями
5.2. Примеры компонентов с минимизированными потерями
5.2.1. Модовый фильтр для моды НЕ,, гофрированного волновода
5.2.2. Волноводный уголок для моды НЕ,, гофрированного волновода
5.2.3. Волноводно-квазиоптическая открытая линия передачи на основе гофрированного волновода
5.2.4. Волноводный разрыв/уголок для моды ТЕ0| гладкого волновода
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность темы диссертации
В настоящее время волноводные линии передачи микроволнового излучения широко применяются в установках управляемого термоядерного синтеза, установках микроволновой обработки материалов, ускорителях заряженных частиц, радарах высокого разрешения, системах связи. Приложения требуют разработки линий передачи, способных передавать излучение высокой мощности с малыми потерями. Многомодовые волноводные компоненты с диаметром поперечного сечения от нескольких длин волн до нескольких десятков длин волн в диапазоне частот от десяти гигагерц до нескольких сотен гигагерц во многих случаях являются оптимальным решением: по сравнению с одномодовыми волноводами они имеют значительно меньшие омические потери, а также способны передавать существенно большую мощность без возникновения высокочастотного пробоя [1-5]. Однако при проектировании таких компонентов возникает необходимость обеспечить либо сохранение заданной волноводной моды, либо преобразование одной моды в другую при наличии дополнительных требований, таких например, как переход с одного сечения на другое или поворот оси волновода. В некоторых случаях задача имеет аналитическое решение (например, [6-8]), но как правило количество мод при этом не превышает двух-трех, в то время как часто необходимо обеспечить устранение нескольких десятков посторонних мод. Допустимые значения потерь во многих случаях ограничены процентами и даже долями процента. Таким образом, существует потребность в регулярном методе синтеза поверхности многомодовых волноводных компонентов, обеспечивающего в общем случае преобразование одного заданного распределения поля на входе в

другое заданное распределение поля на выходе волновода при соблюдении некоторых дополнительных ограничений на форму поверхности.
Обзор существующих методов
Возможность решения данной задачи непосредственно связана с мощностью имеющихся вычислительных систем - она должна как минимум давать возможность достаточно точно решать задачу нахождения электромагнитного поля в системе заданной геометрии. Примерно с середины 80-х годов XX века в мире получили широкое распространение ЭВМ, отвечающие этому требованию. Основные попытки синтеза волноводных преобразователей заключались в реализации методов оптимизации общего назначения [9-21].
Одним из наиболее распространенных классов методов являются методы градиентного, или наискорейшего спуска. При их реализации применительно к данной задаче в качестве целевой функции, как правило, используется скалярное произведение полученного распределения поля на выходе и искомого распределения. Выбор параметров оптимизации определяется набором функций, аппроксимирующих поверхность волноводного преобразователя. В одной из наиболее успешных реализаций [9-10] для синтеза поверхности изогнутого гладкого металлического волновода постоянного круглого сечения его ось представлялась в виде кусочной функции, элементами которой являются отрезки косинуса длиной в половину периода, а в роли параметров оптимизации выступали амплитуды и периоды этих отрезков. Данная реализация показала себя с положительной стороны, несколько рассчитанных с ее помощью преобразователей имеют хорошие характеристики при достаточно небольших габаритах, однако общим для всех реализаций методов спуска недостатком является низкая скорость расчетов: при количестве
свободных параметров, равном N, для однократного вычисления

полученная для одной частоты, существенно сказывается на работе преобразователя на остальных частотах - например, при наличии только двух близких частот коэффициенты для обеих поправок должны быть уменьшены примерно в два раза по сравнению с одночастотным вариантом, в противном случае процедура синтеза становится неустойчивой. Кроме того, во многих случаях для устранения локальных «провалов» в частотной характеристике полезно корректировать в процессе синтеза как количество используемых в расчетах частот, так и их значения. Сравнение схем одночастотного и многочастотного алгоритмов представлено на рис.32.
Д. Д
Вычисление распределений комплексных амплитуд волн Коррекция деформации с учетом геометрических ограничений
и. тг
Оценка соответствия целевой функции Вычисление поправки к деформации волновода

Выбор
следующей
частоты

Рис.32 а) схема одночастотного синтеза; б) схема многочастотного синтеза.