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求解周期介质波导特性的广义复功率守恒技术

求解周期介质波导特性的广义复功率守恒技术

作者：刘慧侃华中科技大学

学位级别：硕士

周期结构在微波、毫米波和光波领域都有着广泛的应用。尽管周期波导的一般理论早已严格地建立起来，但基于F10quet定理的理论分析涉及无穷维矩阵，因此如何在传播特性的数值计算中进行合理和有效的截断目前仍然是一个活跃的研究方向。... 详细信息

周期结构在微波、毫米波和光波领域都有着广泛的应用。尽管周期波导的一般理论早已严格地建立起来，但基于F10quet定理的理论分析涉及无穷维矩阵，因此如何在传播特性的数值计算中进行合理和有效的截断目前仍然是一个活跃的研究方向。这方面的研究工作对于工程上的各种工作在Bragg禁带中的周期结构器件有重要的实际意义，包括分布式反馈激光器，光滤波器，Bragg反馈调制器，光子带隙材料等。本文主要针对有阶跃不连续面的一维周期导波结构进行了比较系统深入的研究，在此基础上提出了一种计算周期结构导波特性的新方法，即基于广义复功率守恒技术的方法。首先讨论了理想导体壁法，即把原来的开放介质波导置于一个用理想导体壁围成的腔内，可以使后续的数学处理变得更加方便。然后推导出求解不连续面的各种模匹配技术，包括经典的模匹配技术、复功率守恒技术、增功率模匹配技术、减功率模匹配技术，并比较了它们得出的广义散射矩阵的性质。可以证明，在封闭波导的不连续性问题中，经典的模匹配技术和复功率守恒技术遵守复功率守恒原则，而增功率模匹配技术和减功率模匹配技术违反了复功率守恒原则，因而后两种方法不能用于求解不连续面的广义散射矩阵。但进一步的分析表明，增功率模匹配技术和减功率模匹配技术具有形式上的对偶对称性，它们的组合可以重新满足复功率守恒原则，这种组合就称为广义复功率守恒技术。利用广义复功率守恒技术可以得到波导不连续面的散射矩阵，进而求出一个周期单元的传输矩阵。把周期波导视为由阶跃不连续面和均匀波导构成的级联结构，通过级联方法求出有限长周期结构的传播常数和散射特性，通过解选择规则和经典的矩阵特征值方法求出无限长周期结构的导波特性。最后文中给出大量的数值算例以证明本方法的有效性和精确性。

关键词：周期波导不连续性广义散射矩阵模匹配技术广义复功率守恒技术对偶对称性特征值

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宽带高功率微波馈源技术研究

宽带高功率微波馈源技术研究

作者：宋洪宇电子科技大学

学位级别：硕士

高功率宽带馈源是高功率毫米波传输系统的关键设备。为了实现对宽带高功率源的能量的高效辐射,馈源需产生理想的辐射波束,并具备高功率容量和宽带宽的特点。为此,本学位论文梳理了光壁喇叭馈源从激励源到输出辐射波束的整个过程,并提出... 详细信息

高功率宽带馈源是高功率毫米波传输系统的关键设备。为了实现对宽带高功率源的能量的高效辐射,馈源需产生理想的辐射波束,并具备高功率容量和宽带宽的特点。为此,本学位论文梳理了光壁喇叭馈源从激励源到输出辐射波束的整个过程,并提出了光壁喇叭馈源的快速设计方法,包括任意辐射波束的端口模式设计方法和光壁喇叭馈源的逆向优化算法。为了形成特定的辐射波束,首先需要对馈源的输出端口模式进行设计。不同类型的辐射波束会对端口模式提出不同的要求。对于高增益馈源,端口模式应具有特定比例的TE模式组合;对于具有稳定辐射场的馈源,本课题提出了相位调控法和场分解法两种设计方法,分别通过在高频处引入模式相位差和引入高阶模式的方式提高辐射场稳定性,并给出了具体端口模式的计算方法;对于指定增益曲线的辐射场,通过逆向优化的方式可以得到所需的端口模式条件。而为了使光壁喇叭馈源能够实现期望的端口模式输出,本课题改进了基于模匹配理论的逆向优化算法。传统的逆向优化算法优化能力差,优化速度慢,不适合具备高功率容量的大过模喇叭馈源。本课题通过参数类整数化的方式分解优化步骤,精简优化空间,并通过建立数据库大幅提高了优化算法的优化效率。根据该优化算法,本学位论文设计了四种具有不同辐射波束的光壁喇叭馈源,均具备期望的辐射波束,并具有较宽的带宽,证明了本学位论文提出的光壁喇叭设计方法在不同频率,不同需求下的有效性。

关键词：光壁喇叭馈源稳定辐射场模匹配技术逆向优化算法粒子群算法

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高功率微波高斯馈源的研究

高功率微波高斯馈源的研究

作者：李浩电子科技大学

学位级别：硕士

本文从圆锥高斯馈源口面场分析入手，利用高斯场展开成规则圆波导场的方法，细致的讨论了高斯束腰对馈源辐射特性和功率容量的影响。同时，将高次高斯馈源的性能与一般高斯馈源进行了比较，发现其无论是在功率容量还是在辐射特性上均超... 详细信息

本文从圆锥高斯馈源口面场分析入手，利用高斯场展开成规则圆波导场的方法，细致的讨论了高斯束腰对馈源辐射特性和功率容量的影响。同时，将高次高斯馈源的性能与一般高斯馈源进行了比较，发现其无论是在功率容量还是在辐射特性上均超过了后者。在综合考虑各个方面问题的前提下，确定了模比系数的范围，为利用光滑变张角的方法设计高斯馈源打下基础。要得到口面上的合成高斯场，就必须控制从单模到合成高斯场的各个波导模式的耦合过程。本文在对耦合波理论和级连模匹配技术的理论推导的基础上，编制了数值求解各个模式在喇叭中耦合过程的计算程序。为验证理论和程序的正确性，设计了一个小尺寸实验模型，其数值求解的结果与HFSS仿真和实验测得的结果具有较好的一致。利用编制的程序，通过大量的计算获得了功率容量为1.5Gw的X波段高功率高斯馈源的初步设计方案。

关键词：高功率微波高斯馈源耦合波理论模匹配技术

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Ka波段TE01模圆波导弯头的研究

Ka波段TE01模圆波导弯头的研究

作者：胡小军电子科技大学

学位级别：硕士

在高功率微波传输过程中，波导弯头是一种极其重要的器件，它能使高功率微波源的能量高效率的传输，因此，对波导弯头的研究具有重要的意义。本论文采用了不同的方法对Ka波段TE01模圆波导弯头进行了探索，主要工作和贡献如下： 1、推导... 详细信息

在高功率微波传输过程中，波导弯头是一种极其重要的器件，它能使高功率微波源的能量高效率的传输，因此，对波导弯头的研究具有重要的意义。本论文采用了不同的方法对Ka波段TE01模圆波导弯头进行了探索，主要工作和贡献如下： 1、推导了轴线弯曲和半径渐变光壁圆波导条件下的耦合波方程，并且归纳了相应的耦合系数。全面介绍了模匹配技术，并详细的推导出单级台阶突变和多级台阶突变电磁场的模匹配矩阵方程。 2、根据耦合波理论编写了轴线弯曲圆波导弯头的程序，通过仿真软件CST仿真计算的结果与Matlab数值计算结果进行了详细的对比，验证了Matlab数值计算程序的正确性。最终通过Matlab程序数值计算设计出了在中心频率30.5GHz处TE01模传输效率在98%以上，传输效率在90%以上的相对带宽达到16%以上的TE01模常曲率圆波导弯头。 3、根据圆波导中模式之间的耦合强弱关系，采用椭圆波导来尽量避免TE01模与TM11模发生耦合，从而降低了它们之间耦合强度。利用仿真软件CST采用插值函数设计出了在中心频率30.5GHz处的传输效率为98.8%，在28.5GHz到30GHz的带宽范围内的传输效率都在99%以上，在30GHz到31.5GHz带宽范围内的传输效率都在98%以上，传输效率在92%以上的相对带宽就达到16.4%的TE01模变曲率椭圆波导弯头。 4、根据准光理论来设计斜角弯头。重点介绍了模式变换器的设计，首先是对高斯模的展开以及高斯束腰和口面半径的选择，然后通过遗传算法的优化程序设计出了符合要求的模式转换器。最后，利用仿真软件HFSS对斜角弯头的仿真优化，得到在中心频率30.5GHz处TE01模的传输效率在98%以上，工作效率在96%以上的相对带宽在9.8%以上的斜角弯头。

关键词：高功率微波源波导弯头耦合波方程模匹配技术模式变换器