高功率回旋管辐射器的设计方法及其衍射场的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种高功率回旋管辐射器的设计方法及其衍射场的计算方法，涉及准光辐射器技术领域。本发明专利技术对耦合模理论设计辐射器结构的一般方法进行了改进，计算了包括工作模式在内的25个模式叠加生成波导壁上的类高斯场分布，在此基础上对波导壁加上切口函数，详细推导了适用于辐射器中的标量衍射积分方程，结合快速傅里叶变换(FFT)，计算了在有切口存在时辐射器的衍射场，得到辐射口径上的场分布，并计算了切口处的衍射损耗，解决了传统耦合模方法中不能用数值方法计算切口衍射场的问题。方法中不能用数值方法计算切口衍射场的问题。方法中不能用数值方法计算切口衍射场的问题。

【技术实现步骤摘要】
高功率回旋管辐射器的设计方法及其衍射场的计算方法


[0001]本专利技术涉及准光辐射器
，尤其涉及一种高功率回旋管辐射器的设计方法及其衍射场的计算方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]准光模式变换器能够高效地将高功率回旋管中传播的高阶腔体模式转换成类高斯模式并输出，一个完整的准光模式变换器由辐射器和镜面系统两部分组成。辐射器是准光模式变换器的重要组成部分，辐射器设计的优良直接影响到后续镜面系统的设计以及准光模式变换器的输出效率。一种典型的辐射器是Vlasov型辐射器，但由于该类型辐射器切口处具有很高的衍射损耗(10％左右)，目前应用较少。当今高功率回旋管中普遍采用波导内壁具有微扰结构的辐射器，由于微扰的存在，这种辐射器能够在辐射口径处形成类高斯波束，从而使切口处的场分布很弱，极大程度上提高了辐射效率，降低了衍射损耗。利用耦合模理论设计的辐射器是一种周期螺旋扰动辐射器，在理论分析时，一般采用具有一定相对功率分布的9个模式相互叠加近似类高斯分布，这种近似在大多数时候是可以接受的，但不是最精确的结果。事实证明，输入到辐射器内的主模，在微扰的条件下会耦合出无数多个模式，而与主模具有相近本征值的耦合模式含量比较高，因此现有技术中9个模式相互叠加生成类高斯模式的辐射器并不能满足设计标准。
[0004]另外，计算辐射器切口处衍射损耗的传统方法主要有两种，一种是实验测量法，即由冷测实验测量得到切口处的衍射损耗，一般应用在Vlasov型辐射器中，对于具有微扰结构的辐射器，切口处的衍射损耗是辐射器优化的参量之一，实验测量法耗时耗材不切实际；另一种方法是用大型电磁仿真软件计算，例如FEKO，这种仿真软件的计算时间长，尤其是当计算的辐射器尺寸变大，工作频率变高时，该方法对硬件要求随之成倍提高，实际应用不可行。因此如何计算带有切口的辐射器内壁上的衍射场成为亟待解决的问题之一。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种高功率回旋管辐射器的设计方法及其衍射场的计算方法，基于耦合模理论，计算了包括主模在内的25个模式叠加生成类高斯模式，计算得到的场分布更趋近理论值。本专利技术中采用的标量衍射积分方法基于惠更斯原理，结合快速傅里叶变换，可计算带有切口的辐射器内壁上的场分布，计算速度快。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]本专利技术第一方面提供了一种高功率回旋管辐射器的设计方法，包括以下步骤：
[0008]采用两级扰动方式计算扰动半径；
[0009]确定工作模式和耦合模式；
[0010]根据扰动半径输入工作模式，输出工作模式和耦合模式相对功率分布，得到25个
模式叠加生成类高斯模式的辐射器。
[0011]进一步的，耦合模式包括8个主要耦合模式和16个次要耦合模式。
[0012]进一步的，将圆波导沿z轴放置，波导起始端的圆心位于坐标原点处，计算微扰结构的圆波导半径。
[0013]进一步的，扰动半径计算公式为：
[0014][0015]其中，R0是圆波导初始半径，Δβ1为工作模式与角向耦合模式之间的相位差，Δβ2工作模式与轴向耦合模式之间的相位差，l1为角向扰动的角向周期数，l2为轴向扰动的角向周期数，表示柱坐标系下的坐标点。a1为角向扰动幅度，a2轴向扰动幅度，二者均为z的函数。
[0016]进一步的，在波导壁上加入切口函数后得到25个模式叠加生成类高斯模式的辐射器的电场强度分布。
[0017]本专利技术第二方面提供了一种高功率回旋管准光辐射器衍射场的计算方法，包括以下步骤：
[0018]基于惠更斯原理得到辐射器衍射场的计算公式；
[0019]根据圆波导的TE模计算公式对辐射器衍射场的计算公式进行变形；
[0020]将自由空间格林函数和场点与源点之间的距离代入变形后的公式，采用快速傅里叶变换(FFT)后计算得到辐射器的衍射场。
[0021]进一步的，基于惠更斯原理得到辐射器衍射场的计算公式如下所示：
[0022][0023]其中，u
s'
为辐射器内壁上的场分布，G为自由空间格林函数，k为波数；为垂直于波导表面的单位内法相矢量，为垂直于波导表面的单位内法相矢量，为波导壁上场点与源点之间的距离，
[0024]进一步的，圆波导中TE模的H
z
分量写为：
[0025][0026]其中，A为场幅度，J
m
(k
r
r)为第m阶贝塞尔函数，k
r
＝χ
mn
/R0，
[0027]进一步的，采用快速傅里叶变换(FFT)后计算得到辐射器的衍射场的具体步骤为：通过标量基尔霍夫公式和惠更斯原理将圆波导中TE模的Hz分量改写为卷积积分的形式，然后用快速傅里叶变换将积分对象变换到谱域，计算出结果之后再对结果进行反变化即可得到原积分公式的积分值。
[0028]进一步的，由带切口的辐射器内壁上的场分布计算得到的衍射场，辐射器的切口沿着布里渊区的边界，辐射口径位于轴向切口的下一个布里渊区。
[0029]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0030]本专利技术公开了一种高功率回旋管辐射器的设计方法及其衍射场的计算方法，对耦合模理论设计辐射器结构的一般方法进行了改进，计算了包括工作模式在内的25个模式叠加生成波导壁上的类高斯场分布，在此基础上对波导壁加上切口函数，详细推导了适用于辐射器中的标量衍射积分方程，结合快速傅里叶变换(FFT)，计算了在有切口存在时辐射器的衍射场，得到辐射口径上的场分布，并计算了切口处的衍射损耗，解决了传统耦合模方法中不能用数值方法计算切口衍射场的问题。
[0031]在同样的扰动条件下，参与计算的耦合模式越多，叠加生成类高斯模式所需的耦合模式的理想功率配比就越难以形成。由25个耦合模式计算方法考虑更全面，辐射器辐射效率更高，为兆瓦级回旋管的发展奠定理论基础。
[0032]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0033]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0034]图1为本专利技术实施例一高功率回旋管辐射器的设计方法中波导半径图；
[0035]图2(a)为本专利技术实施例一高功率回旋管辐射器的设计方法中波导壁上切口函数图；
[0036]图2(b)为本专利技术实施例一高功率回旋管辐射器的设计方法中加切口函数后辐射器内壁上的场分布图；
[0037]图3(a)为本专利技术实施例二高功率回旋管准光辐射器衍射场的计算方法中积分核函数FFT变换后的幅值图；
[0038]图3(b)为本专利技术实施例二高功率回旋管准光辐射器衍射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高功率回旋管辐射器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：采用两级扰动方式计算扰动半径；确定工作模式和耦合模式；根据扰动半径输入工作模式，输出工作模式和耦合模式相对功率分布，得到25个模式叠加生成类高斯模式的辐射器。2.如权利要求1所述的高功率回旋管辐射器的设计方法，其特征在于，耦合模式包括8个主要耦合模式和16个次要耦合模式。3.如权利要求1所述的高功率回旋管辐射器的设计方法，其特征在于，将圆波导沿z轴放置，波导起始端的圆心位于坐标原点处，计算微扰结构的圆波导半径。4.如权利要求1所述的高功率回旋管辐射器的设计方法，其特征在于，扰动半径计算公式为：其中，R0是圆波导初始半径，Δβ1为工作模式与角向耦合模式之间的相位差，Δβ2工作模式与轴向耦合模式之间的相位差，l1为角向扰动的角向周期数，l2为轴向扰动的角向周期数，表示柱坐标系下的坐标点，a1和a2是z的函数。5.如权利要求1所述的高功率回旋管辐射器的设计方法，其特征在于，在波导壁上加入切口函数后得到25个模式叠加生成类高斯模式的辐射器的电场强度分布。6.高功率回旋管准光辐射器衍射场的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：基于惠更斯原理得到辐射器衍射场的计算公式；根据圆波导的TE模计算公式对辐射器衍射场的计算公式进行变形；将自由空间格林函数和场点与源点之间的距离代入变形后的公式，采用快速傅里叶变换(FFT)后计算得到辐射器...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国慧，
申请(专利权)人：泰山学院，
类型：发明
国别省市：