圓波導(dǎo)te21模式激勵(lì)器-開(kāi)題答辯

1、,圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器 開(kāi)題答辯,西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,,1,,CONTENTS,1,2,3,背景意義,研究?jī)?nèi)容,設(shè)計(jì)目標(biāo),2,4,設(shè)計(jì)思想,5,設(shè)計(jì)流程,6,進(jìn)度安排,回旋管作為重要的毫米波源，其輸出模式為混合模式，不利于直接傳輸或輻射，需要進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)好后的模式轉(zhuǎn)換器需要進(jìn)行冷測(cè)，這時(shí)，就需要采用模式激勵(lì)器模擬回旋管的輸出以提供冷測(cè)系統(tǒng)中的輸入源,,毫米波,頻率范圍：30GHz-300GHz回旋管作為毫米波源

2、，在高功率微波武器、新型材料、等離子體加熱等應(yīng)用方面的前景非常廣闊。,,混合模式,回旋管輸入為一種或幾種的混合模式，它們的極化方向不穩(wěn)定且輻射方向圖為空心圓錐狀，不能在空間進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，也不能直接使用。,,冷測(cè),很多時(shí)候必須借助準(zhǔn)光模式變換器將回旋管輸出的模式轉(zhuǎn)化為T(mén)EM00或HE11模式，為了避免在設(shè)計(jì)變換器時(shí)出錯(cuò)為浪費(fèi)巨大的人力物力，常常采用在準(zhǔn)光模式變換器安裝前冷測(cè)的方法。,,1,研究背景,,1,研究背景,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及生產(chǎn)需求狀

3、況,目前模式激勵(lì)器主要研究方向有兩個(gè)：波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)光技術(shù)。,傳統(tǒng)的模式激勵(lì)器輸出的帶寬較窄，而且尺寸過(guò)大。近年來(lái)，有很多新的實(shí)現(xiàn)模式激勵(lì)的技術(shù)，比如有人提出了一種同軸插板波導(dǎo)模式激勵(lì)器，雖然體積小，但是需要較多的控制元件。2013年，沈文淵等人研究出了一種采用矩形波導(dǎo)TE10模式通過(guò)側(cè)壁耦合饋入同軸波導(dǎo)，利用同軸波導(dǎo)的選模特性激勵(lì)起目標(biāo)模式。對(duì)于常規(guī)的Vlasov準(zhǔn)光模式激勵(lì)器，其旁瓣電平較高，能量不夠集中，對(duì)此，有學(xué)者提出一種新型的螺

4、旋形準(zhǔn)光模式激勵(lì)器，其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。本設(shè)計(jì)鑒于準(zhǔn)光模式激勵(lì)器的復(fù)雜性和常規(guī)波導(dǎo)激勵(lì)器的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，效率過(guò)低的特點(diǎn)，根據(jù)同軸外導(dǎo)體的腔壁耦合和圓波導(dǎo)徑向漸變耦合理論，設(shè)計(jì)了圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器，而且結(jié)構(gòu)緊湊，有一定的帶寬，轉(zhuǎn)換效率高。,,研究?jī)?nèi)容,,掌握麥克斯韋理論方法并分析得到圓波導(dǎo)在TE21模式下的場(chǎng)分布；,,基于開(kāi)放式諧振腔理論，提出一種圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器的設(shè)計(jì)方法；,,利用HFSS軟件仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)矩形波導(dǎo)TE

5、10-同軸波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器，根據(jù)同軸到圓波導(dǎo)的漸變過(guò)渡，設(shè)計(jì)同軸TE21 -圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器，最后基于開(kāi)放式諧振腔理論對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。,,1,研究?jī)?nèi)容,,,,,,,A,B,C,應(yīng)用HFSS設(shè)計(jì)線極化的圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器，在中心頻率96 GHz下的模式純度大于95%，轉(zhuǎn)換效率大于90%的相對(duì)帶寬大于5%；,給出仿真設(shè)計(jì)模型圖及S參數(shù)曲線和場(chǎng)分布圖。,如果時(shí)間允許，運(yùn)用HFSS設(shè)計(jì)圓極化的圓波導(dǎo)TE21模式激

6、勵(lì)器，要求同樣的指標(biāo)。,,1,設(shè)計(jì)目標(biāo),,,,,圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器的設(shè)計(jì),,A,波導(dǎo)理論分析,為了最后準(zhǔn)確的得到目標(biāo)模式，需要先對(duì)其模式波在圓波導(dǎo)中的場(chǎng)分布進(jìn)行分析并仿真。,緩變界面理論,通過(guò)對(duì)緩變界面理論的分析，得出波導(dǎo)尺寸的相關(guān)計(jì)算方法，以及同軸腔體內(nèi)外半徑比對(duì)模式特征值的影響。,A,B,C,矩形波導(dǎo)TE10—同軸波 導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器同軸TE21—圓波導(dǎo)TE21模式 激勵(lì)器優(yōu)化仿真,B,C,,1,設(shè)計(jì)思想,TE2

7、1模式下的圓波導(dǎo)電場(chǎng)幅值分布圖,在HFSS中仿真得到電場(chǎng)幅值分布圖如右圖所示，由此分析可以得到，當(dāng)ρ固定時(shí)，在徑向方向上，從圓心到半徑為a處，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化為先增大再減小，且只有一個(gè)最大值。而當(dāng)ρ固定時(shí)，一周中共有四個(gè)極大值。,波導(dǎo)理論分析,,1,設(shè)計(jì)思想,各模式特征值隨C的變化曲線圖,本工作的難點(diǎn)在于怎樣設(shè)定同軸波導(dǎo)的尺寸讓讓其輸出高純度的TE21模式而又不激勵(lì)起其他不期望的模式成分，以及怎樣設(shè)定矩形波導(dǎo)的位置和尺寸以獲得盡可能大的轉(zhuǎn)

8、換效率和模式純度。具體的研究步驟為： 根據(jù)同軸諧振腔理論分析得到波導(dǎo)尺寸求解公式和在不同半徑比值下的模式特征值曲線，確定同軸波導(dǎo)的尺寸；,圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器,1,,1,設(shè)計(jì)思想,3,2,分析結(jié)論,最終完成的圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，電子波束經(jīng)過(guò)矩形波導(dǎo)TE10模式通過(guò)側(cè)壁耦合饋入同軸波導(dǎo)，利用同軸波導(dǎo)的選模特性激勵(lì)起TE21模式波，將同軸波導(dǎo)漸變?yōu)閳A波導(dǎo)。,同軸諧振腔模型,在軟件中進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，不斷調(diào)節(jié)波

9、導(dǎo)的尺寸和位置，使激勵(lì)器的模式純度大于90%，轉(zhuǎn)換效率大于95%；,進(jìn)一步優(yōu)化同軸波導(dǎo)，將同軸波導(dǎo)設(shè)計(jì)成開(kāi)放式同軸諧振腔。因?yàn)橥S波導(dǎo)是開(kāi)放的，因此無(wú)法在兩端形成反射面，則電磁場(chǎng)在波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)是行波，無(wú)法形成諧振。開(kāi)放式同軸諧振腔兩端也是開(kāi)放的，但是，其縱剖面是緩變界面，它能在兩端形成反射面，電磁波在波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)，可在反射面之間來(lái)回傳播而形成諧振。,,1,設(shè)計(jì)思想,1,4,2,5,3,了解TE21模式波在圓波導(dǎo)中的場(chǎng)分布以及傳播模式特點(diǎn)

10、,第一階段,利用HFSS數(shù)值仿真建立激勵(lì)器的模型,第三階段,根據(jù)緩變截面波導(dǎo)理論將同軸腔改進(jìn)為三段式諧振腔，得到進(jìn)一步的優(yōu)化并獲得S12參數(shù)，直到滿足指標(biāo)要求。,最終階段,基于開(kāi)放式諧振腔理論，提出一種圓波導(dǎo)TE21模式激勵(lì)器的設(shè)計(jì)方法,第二階段,利用HFSS對(duì)建立的模型進(jìn)行多次優(yōu)化仿真，選擇合適的同軸內(nèi)外半徑，提高輸出目標(biāo)模式的純度。,第四階段,,1,設(shè)計(jì)流程,,,1,4,2,3,2015年12月，由老師下達(dá)任務(wù)書(shū)，跟導(dǎo)師見(jiàn)面，制定詳

11、細(xì)的研究方案及工作安排，通過(guò)上網(wǎng)或到學(xué)校圖書(shū)館、其他網(wǎng)站下載或查閱相關(guān)書(shū)籍，學(xué)習(xí)HFSS以及MATLAB軟件，初步了解設(shè)計(jì)內(nèi)容，確定設(shè)計(jì)方案；,2016年2~3月，了解圓波導(dǎo)TE21模式變換器原理及應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用理論知識(shí)初步進(jìn)行設(shè)計(jì)，并撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；,2016年3月19日，開(kāi)題答辯，根據(jù)答辯老師建議及時(shí)補(bǔ)漏與解決問(wèn)題；,2016年4月，在HFSS軟件中對(duì)設(shè)計(jì)的模式變換器各個(gè)部分單獨(dú)進(jìn)行仿真，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)法和理論分析相結(jié)合的方法，找出符合指標(biāo)