Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям Pages:     ||

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук

(г. Нижний Новгород).

На правах рукописи

Научный консультант: доктор физико-математических наук Г. Г. Денисов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В. В. Мериакри;

Соболев Дмитрий Игоревич кандидат физико-математических наук Э. Б. Абубакиров.

СИНТЕЗ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ МНОГОМОДОВЫХ ВОЛНОВОДНЫХ

Ведущая организация: Нижегородский государственный КОМПОНЕНТОВ университет им. Н. И. Лобачевского.

01.04.03 - радиофизика

Защита состоится л 1 октября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной А в т о р е ф е р а т физики РАН.

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автореферат разослан л августа 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор Ю. В. Чугунов Нижний Новгород - 2007 2 татком являются высокие требования к вычислительной мощности и, как Общая характеристика диссертации следствие, значительные ограничения на параметры синтезируемых компоПредмет исследования и актуальность темы. В настоящее время вол- нентов.

новодные линии передачи микроволнового излучения широко применяются В диссертационной работе предложен новый метод синтеза, отличаюв установках управляемого термоядерного синтеза, установках микровол- щийся быстрой сходимостью и высокой эффективностью полученных комновой обработки материалов, ускорителях заряженных частиц, радарах вы- понентов. Предложенный метод реализован для нескольких практически сокого разрешения, системах связи. Приложения требуют разработки линий важных вариантов геометрии поверхности волновода: изгибной деформапередачи, выдерживающих излучение высокой мощности и обладающих ции волновода постоянного круглого сечения, прямого волновода круглого малыми потерями. Многомодовые волноводные компоненты с диаметром сечения переменного радиуса, а также для произвольной малой деформапоперечного сечения от нескольких длин волн до нескольких десятков длин ции поверхности прямого волновода с сечением, близким к круглому.

волн в диапазоне частот от десяти гигагерц до нескольких сотен гигагерц во Предложены также модификация метода для синтеза широкополосных многих случаях являются оптимальным решением: по сравнению с одномо- волноводных преобразователей и метод минимизации дифракционных подовыми волноводами они имеют значительно меньшие омические потери, а терь в квазиоптических разрывах сверхразмерных волноводов. Синтезиротакже способны передавать существенно большую мощность без возникно- ванные новым методом преобразователи изготовлены и экспериментально вения высокочастотного пробоя [1-7]. Однако при проектировании таких проверены.

компонентов возникает необходимость обеспечить либо сохранение заданной волноводной моды, либо преобразование одной моды в другую при Практическая значимость диссертационной работы. Предложенный наличии дополнительных требований, таких например, как переход с однометод синтеза позволяет получить высокоэффективные волноводные комго сечения на другое или поворот оси волновода. В некоторых случаях запоненты, обладающие малыми габаритами, что позволяет их использовать в дача имеет аналитическое решение [8-10], но как правило количество мод абсолютном большинстве линий передачи СВЧ-излучения в широком диапри этом не превышает двух-трех, в то время как часто необходимо обеспепазоне частот (от нескольких гигагерц до нескольких сотен гигагерц) и чить устранение нескольких десятков посторонних мод. Допустимые знаразмеров поперечного сечения (до ста длин волн). Синтезированные комчения потерь во многих случаях ограничены процентами и даже долями поненты уже используются в технологических гиротронных установках, процента. Таким образом, существует потребность в регулярном методе стеллараторе LHD (NIFS, Toki, Japan), установке дистанционного управлесинтеза поверхности многомодовых волноводных компонентов, обеспечиния качанием волнового пучка (FOM institute, Rijnhuizen, Holland) и других.

вающего 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 поАпробация и публикация результатов. Основные результаты диссерверхности. Цели диссертации состояли в формулировке и реализации метотационной работы опубликованы в работах [1а-19а] и докладывались на 30да синтеза, позволяющего получать высокоэффективные решения для шиой Международной конференции по терагерцовой электронике (2005, Вильрокого класса деформаций поверхности волновода за короткое время, а ямсбург, США), 31-ой Международной конференции по инфракрасным и также экспериментальной проверке синтезированных преобразователей.

миллиметровым волнам (2006, Шанхай, КНР), VI Международной конференции Мощные микроволны в плазме (2005, Нижний Новгород), XIV Состояние проблемы и научная новизна работы. Возможность решеОтраслевом координационном семинаре по СВЧ-технике (2005, Нижний ния поставленной задачи непосредственно связана с мощностью имеющихНовгород), X и XI школах-семинарах Физика и применение микроволн ся вычислительных систем - она должна как минимум давать возможность (2005, 2007, Звенигород Московской обл.), X школе-семинаре Волновые достаточно точно решать задачу нахождения электромагнитного поля в явления в неоднородных средах (2006, Звенигород Московской обл.), Xсистеме заданной геометрии. Примерно с середины 80-х годов ХХ века в XII Нижегородских сессиях молодых ученых (2005-2007), конкурсах моломире получили широкое распространение ЭВМ, отвечающие этому требодых ученых ИПФ РАН (2006, 2007) и внутренних семинарах ИПФ РАН ванию. Основные попытки синтеза волноводных преобразователей заклю(2003-2006).

чались в реализации методов оптимизации общего назначения. К настоящему времени несколько таких методов (например, методы градиентного ичный вклад автора. Публикации [6a,8a,10a,15a,16a,18a,19a] написаспуска, методы случайной оптимизации: генетический алгоритм и метод ны совместно с научным руководителем. В публикациях [1a,3a] соискатель роя частиц) были успешно реализованы [11-21], однако их общим недосвнес определяющий вклад в разработку метода синтеза волноводных пре 3 образователей, также им была выполнена реализация метода для одномер- Приведены примеры синтезированных высокоэффективных (расчетная ных и двумерного вариантов деформации поверхности волновода. В публи- эффективность преобразователей варьируется от 98% до 99.9%) многомокациях [2a,7a,9a,12a,13a,17a] соискатель внес существенный вклад в разра- довых волноводных компонентов:

ботку метода минимизации дифракционных потерь в квазиоптических раз- 1. Волноводный преобразователь моды TM01 в гауссов волновой пучок.

рывах сверхразмерных волноводах, рассчитывал соответствующие волно- 2. Волноводный поворот на 90 с сохранением моды TE11.

водные преобразователи и участвовал в экспериментальной проверке син- 3. Волноводный преобразователь моды TE01 в моду ТЕ11.

тезированных компонентов. В публикации [4a] соискатель рассчитывал 4. Волноводные повороты на 90 и 180 с сохранением моды TE01.

оптимизированное поле для прохождения мощных пучков через окно и со- 5. Волноводный преобразователь моды TE12 в специальную смесь мод ТЕответствующий волноводный преобразователь. В публикациях [5a,11a,14a] и TE12 с нулевым азимутальным магнитным полем на стенке.

соискатель рассчитывал волноводный поворот на моде TE01. 6. Гладкий волноводный рупор для перехода с моды ТЕ11 гладкого волно вода на моду НЕ11 гофрированного волновода большего радиуса для Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, частоты 170 ГГц.

пяти глав, заключения и списка цитированной литературы, включающего и 7. Гофрированные волноводные рупора для перехода на волновод большеработы автора. Общий объем диссертации составляет 82 страницы, включая го диаметра с сохранением моды НЕ11.

48 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 64-х наименований. 8. Волноводный рупор, преобразующий моду TE01 в специальную смесь TE0n мод для оптимизации прохождения мощных пучков через окно.

Приведены результаты экспериментальной проверки синтезированных компонентов, хорошо согласующиеся с расчетными характеристиками.

Краткое содержание диссертации В третьей главе рассмотрена реализация метода синтеза для малой Во введении обоснована актуальность темы, определены предмет ис- двумерной деформации поверхности волновода. При соблюдении условия следования и задачи диссертации, проведен обзор существующих методов на максимальную величину деформации (<) величине деформации мнорешения задачи, кратко изложено содержание диссертации, а также приве- го меньше длины волны сечение волновода считается близким к круглому, дены данные по апробации и публикациям включенных в диссертацию ма- в качестве системы функций, по которым раскладывается поле, берутся териалов. невозмущенные моды круглого волновода, а коэффициенты связи между В первой главе диссертационной работы сформулирован новый итера- ними находятся методом возмущений. Зависимость радиуса от азимутальционный метод синтеза волноводных преобразователей. Поле внутри вол- ного угла в поперечном сечении волновода раскладывается в ряд Фурье, в новода раскладываются в сумму волноводных мод. На каждой итерации результате чего двумерная зависимость радиуса от продольной координаты производится вычисление двух распределений комплексных амплитуд мод и азимутального узла представляется в виде нескольких одномерных функвнутри волновода, причем для вычисления первого из них используется ций, представляющих собой амплитуды соответствующих азимутальных граничное условие, соответствующее заданному полю на входе, для второ- гармоник. Каждая такая гармоника влияет на распространение волн незавиго - соответствующее желаемому на выходе. Из разницы этих двух распре- симо от остальных, благодаря чему становится возможным ввести поправки делений составляется поправка к деформации волновода, обеспечивающая к отдельным гармоникам. Описаны следующие синтезированные компосходимость к искомому профилю. ненты:

Во второй главе рассмотрены три практически важных реализации ме- 1. На примере укороченного волноводного преобразователя моды TE11 в тода для вариантов деформации поверхности волновода, описываемых при моду ТЕ01 показана более высокая эффективность двумерного синтеза помощи одной скалярной функции от продольной координаты: по сравнению с одномерным. Приведены результаты проверки синтезиI. Изогнутого гладкого металлического волновода постоянного круглого рованного профиля методом FDTD, практически соответствующие рассечения; четным характеристикам.

II. Прямого гладкого металлического волновода круглого сечения пере- 2. Выходной гиротронный преобразователь моды TE22,6 в наклонный гаусменного радиуса; сов волновой пучок. По сравнению с разработанными ранее вариантами III. Прямого гофрированного металлического волновода круглого сечения преобразователь имеет существенно меньшую длину при большей эфпеременного радиуса. фективности. Меньшая длина также положительно сказывается на омических потерях внутри преобразователя и приводит к расширению рабочей полосы частот.

5 3. Синтезирован преобразователь моды TM01 во вращающуюся моду TE31 1. Модовый фильтр для моды HE11 гофрированного волновода. Фильтр для компрессора СВЧ-импульсов. Несмотря на то, что глубина дефор- обеспечивает эффективную передачу основной моды HE11 с одновремации составила почти четверть длины волны, результаты проверки ме- менным поглощением излучения в других модах за счет их рассеяния в тодом FDTD оказались очень близки к расчетам методом возмущений, длинном разрыве. Приведены результаты экспериментальной проверки использованном для синтеза. По результатам экспериментальной про- фильтра на малом и большом (200 кВт / 1000 с) уровнях мощности.

верки преобразователь также показал эффективность, очень близкую к 2. Волноводный уголок на моде HE11 гофрированного волновода.

расчетной. 3. Волноводно-квазиоптическая открытая линия передачи на основе гофВ четвертой главе рассмотрена модификация метода для синтеза вол- рированного волновода. Линия передачи состоит из нескольких одинановодных компонентов, обладающих высокой эффективностью в широкой ковых волноводных элементов, разделенных разрывами, причем длина рабочей полосе частот. Для решения данной задачи в процедуру синтеза разрыва составляет 80% длины волноводного элемента, а расчетные побыло введен просчет распределений поля на нескольких частотах, лежащих тери на один элемент составляют 0.3%.

в заданной полосе, с последующим добавлением к профилю поправок от 4. Волноводный разрыв и уголок на моде TE01 гладкого волновода.

различных частот. В зависимости от результатов контроля сходимости в процессе синтеза могут меняться как значения частот, так и весовые коэф- В заключении сформулированы основные результаты работы.

фициенты к поправкам. Описаны синтезированные широкополосные вари- анты важных волноводных компонентов:

1. Волноводный преобразователь моды ТМ0,1 в моду TE1,1.

Основные результаты диссертационной работы 2. Волноводный преобразователь моды TE1,1 гладкого волновода в моду HE1,1 гофрированного волновода. I. Предложен новый итерационный метод синтеза многомодовых волно3. Волноводный поворот на 90 с сохранением моды TE1,1 в полосе две водных компонентов, основанный на вычислении двух реализаций пооктавы по уровню мощности 0.98. ля с использованием граничных условий в начале и в конце преобразо4. Для иллюстрации возможностей метода показан вариант описанного в вателя, дающих поправку к профилю. Метод отличается быстрой схоглаве 3 преобразователя моды TM01 во вращающуюся моду TE31 с рас- димостью и высокой эффективностью полученных компонентов.

Pages:     ||    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям