西南交通大学研究生学位论文坡度开槽同轴布喇格结构的模拟研究_电子论文

　　西南交通大学研究生学位论文坡度开槽同轴布喇格结构的模拟研究共79页，28094字
　　摘要
　　高功率毫米亚毫米波源，在雷达、等离子体加热、高能加速器、通信等方面有着重要的应用前景，一直以来受到各国的重视。而高功率毫米波器件是高功率微波技术的一个重要方向，布喇格反射器（Bragg reflector）是其中的一个重要分支，是目前国内外研究的热点。在过去几年里，布喇格反射器一直被广泛应用在微波领域和光学元器件中，尤其是在模式耦合，回旋自谐振脉塞(cyclotron autoresonance maser，CARM)，和工作在毫米以及亚毫米波范围内的自由电子激光(Free-electron laser，FEL)方面的应用。
　　最近，人们对非常适用于高功率回旋自谐振脉塞(CARM)的同轴布喇格反射器进行研究与应用开发。研究表明，内外开槽的同轴布喇格反射器具有很好的特性：工作模式能得到很高的反射率，并且竞争模式得到了很好的抑制，其几何尺寸大、功率容量大，模式选择性好，适合高阶模高频率运行，甚至能工作在频率为几百GHz的高阶模。
　　对普通波导采用坡度边界的研究表明，相对于均匀边界可以提高选模、选频性能。因此，如果对普通同轴布喇格结构采用适当坡度，可能进一步改善布喇格结构的频率选择性。本硕士学位论文从理论分析和CST软件数值模拟仿真两个方面,对具有坡度的同轴布喇格结构进行了比较深入的研究，探索改善同轴布喇格结构性能的新途径，取得了有价值的研究成果。
　　首先，第一章对高功率微波和布喇格结构的研究背景、国内外研究动态作了简要的阐述，提出了本论文的组织形式。
　　然后，第二章阐述了内外开槽同轴布喇格结构研究的两种理论方法：耦合波理论和激发理论。利用耦合波理论推导出了同轴布喇格反射器内电磁场的耦合方程和各个模式之间的转换系数。并对CST软件进行了简单的介绍。
　　第三章首先验证了我们设立的模拟模型的可行性。接着分析比较了三种不同开槽形状的同轴布喇格结构的优缺点，为实际应用中开槽形状的选择提供了理论依据。
　　第四章研究了普通同轴布喇格结构的不同参数对频率响应特性的影响，并介绍了坡度开槽同轴布喇格结构的概念，利用CST仿真软件建立了坡度同轴布喇格结构仿真模型，模拟了低频低阶单模情况下坡度对频率响应的影响。
　　第五章为了改善布喇格结构的性能，消除频率响应曲线的残余旁瓣，我们根据滤波器的原理, 对坡度开槽同轴布喇格结构的波纹进行窗函数加权。结果显示，坡度开槽同轴布喇格结构的性能得到了明显改善，达到了我们预期的目标。
　　第六章在CST软件平台上对高频高阶多模耦合模式具有坡度的同轴布喇格结构进行了非线性数值模拟。
　　最后,在第七章对本论文进行总结。
　　本论文的创新点可以概括如下：
　　 1. 利用三维电磁仿真软件CST，分析比较研究了三种不同开槽形状的同轴布喇格结构的性能，发现他们都有其自身优缺点。我们可以根据需要来选择同轴布喇格结构的形状和尺寸，以提高反射器的反射效率，进而提高器件的输出功率。
　　 2.引入了坡度开槽同轴布喇格结构的概念，建立了模拟仿真模型，研究模拟了低频低阶单模情况下正圆锥形坡度和倒圆锥形坡度在加不同坡度角时对同轴布喇格结构频率响应的影响，以及引入窗函数来抑制坡度开槽同轴布喇格结构频率响应曲线残余旁瓣的方法。发现具有正圆锥形坡度的同轴布喇格结构的带宽随着所加坡度角的增大而变窄，具有倒圆锥形坡度的同轴布喇格结构的带宽随着所加坡度角的增大而变宽；加窗函数后频率响应曲线的残余旁瓣得到了有效的抑制。
　　 3.模拟研究了高频高阶多模耦合情况下正圆锥形坡度和倒圆锥形坡度在加不同坡度角时对同轴布喇格结构频率响应的影响。发现无论是正圆锥形坡度还是倒圆锥形坡度，其工作模式的频率响应受坡度变化的影响很小，而竞争模式受坡度变化的影响较大。
　　关键词：高功率微波；坡度开槽同轴布喇格结构；开槽形状；CST软件仿真；频率响应；窗函数；残余旁瓣
　　
　　目录
　　第1章绪论 1
　　 1.1 研究背景 1
　　 1.2 国内外研究动态 2
　　 1.3 论文的研究内容和意义 4
　　第2章同轴布喇格结构的理论方法 6
　　 2.1 引言 6
　　 2.2 同轴布喇格结构模型 6
　　 2.3 耦合理论 8
　　 2.3.1 TM模横向电、磁场的耦合方程 10
　　 2.3.2 TE模横向电、磁场的耦合方程 10
　　 2.4 转换系数 11
　　 2.4.1 横磁模电场之间或者磁场之间的转换系数 12
　　 2.4.2 横电模电场之间或者磁场之间的转换系数 13
　　 2.4.3 不同模式电场或磁场之间的转换系数 14
　　 2.5 同轴波导函数的归一化 15
　　 2.5.1 横磁模本征矢量函数的归一化 16
　　 2.5.2 横电模本征矢量函数的归一化 17
　　 2.6 软件CST模拟仿真 18
　　 2.7 本章小结 19
　　第3章不同开槽形状同轴布喇格结构的比较研究 20
　　 3.1 引言 20
　　 3.2 仿真模型 20
　　 3.3 仿真模型的实验验证 22
　　 3.4 三种开槽形状同轴布喇格结构的比较研究 25
　　 3.5 本章小结 30
　　第4章坡度开槽同轴布喇格结构频率响应的特性研究 31
　　 4.1 引言 31
　　 4.2 坡度开槽同轴布喇格结构的引入 31
　　 4.3 影响同轴布喇格结构频率响应的参数 34
　　 4.4 坡度对频率响应的影响 38
　　 4.5 本章小结 43
　　第5章窗函数消除频率响应曲线残余旁瓣 44
　　 5.1 引言 44
　　 5.2 窗函数 44
　　 5.2.1 汉宁(Hanning) 窗（升余弦窗） 45
　　 5.2.2 汉明(Hamming)窗（改进的升余弦窗） 45
　　 5.2.3 布拉克曼(Blackman)窗（二阶升余弦窗） 46
　　 5.2.4 高斯(Gauss)窗 47
　　 5.3 坡度开槽同轴布喇格结构加窗技术抑制残余旁瓣 48
　　 5.4 本章小结 52
　　第6章坡度对高频高阶耦合模式的影响 53
　　 6.1 引言 53
　　 6.2 多波耦合理论分析模型 53
　　 6.3 坡度对频率响应的影响 55
　　 6.4 本章小结 58
　　第7章结论与展望 59
　　致谢 61
　　参考文献 62
　　攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文 68

西南交通大学研究生学位论文坡度开槽同轴布喇格结构的模拟研究

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