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同轴波导和开放式同轴谐振腔结构偏心问题的模拟研究

作　者: 谢永超
导　师: 张世昌
学　校: 西南交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 高功率微波同轴波导开放式同轴谐振腔结构偏心场分布谐振频率品质因数(Q值)
分类号: TN814
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

长脉冲及连续波兆瓦（MW）级回旋管（含振荡器、放大器）的散热问题,直接关系到器件的稳定性,甚至可能导致器件不能正常工作。解决的办法是使用大横向尺寸高阶模式,但由此却带来了模式竞争等新问题。目前,国际上同时解决散热和模式竞争问题的普遍做法是:在圆柱波导或开放式圆柱谐振腔中插入一根内导体柱,构成同轴波导或开放式同轴谐振腔。其显著优点是:可以稀化本征模式谱,增大模式之间的分隔度,提高腔体的选模、选频特性,从而有效地解决模式竞争问题;而且,还有利于相对论电子束的降压回收。在工程实施中,同轴结构的安装调试不可能达到理想的要求,内外导体不可避免会发生结构偏心。所以,很有必要研究内外导体偏心对同轴波导和开放式同轴谐振腔电磁性能的影响,为工程提供参考。本硕士学位论文从理论分析、数值模拟和软件仿真三个方面,对同轴波导和开放式同轴谐振腔结构偏心问题进行较深入全面的研究。主要内容包括:首先,第一章扼要阐述了同轴结构的发展研究状况和本论文的意义、内容以及创新点。然后,在第二章介绍了同轴波导、同轴谐振腔、开放式谐振腔以及开放式同轴谐振腔的基本电磁理论。第三章主要介绍了论文使用的仿真工具——三维电磁仿真软件HFSS和CST。接着,第四章研究了偏心对同轴波导基本电磁特性的影响。主要利用三维电磁仿真软件HFSS和CST分别分析了平行偏心和倾斜偏心对同轴波导场分布、本征值和s参数的影响。最后,在第五章深入分析了开放式同轴谐振腔内导体偏心的两种情况对谐振腔电磁性能的影响。研究过程中我们主要利用软件CST仿真了偏心情况对开放式同轴谐振腔的场分布、谐振频率以及品质因数的影响。本论文对内外导体偏心情况下的同轴波导和开放式同轴谐振腔进行的研究,其主要创新点是:1.运用三维电磁模拟软件CST对内外导体具有倾斜偏心的同轴波导性能的数值模拟结果表明:随着倾斜偏心度α的逐渐增大,倾斜偏心同轴波导的s_2,1参数和电场的幅值减小,但减小的幅度不是很明显,甚至可以忽略不计。但是,当偏心度α增大到1°时,同轴波导TEM模式的端口电场分布云图与不偏心相比发生了很大的变化。2.利用三维电磁模拟软件CST数值模拟了倾斜偏心和平行偏心对开放式同轴谐振腔性能的影响,所得结果表明:不管是内外导体的轴线发生平行偏心,还是倾斜偏心,都引起开放式同轴谐振腔的谐振频率、品质因数和场振幅实质性下降;其中,倾斜偏心产生的影响比平行偏心更为严重。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第1章绪论  12-18
  1.1 研究背景  12
  1.2 同轴波导和同轴谐振腔概述  12-15
  1.3 开放式谐振腔及开放式同轴谐振腔的研究现状  15-16
  1.4 本文研究的内容和创新点  16-18
第2章同轴波导和谐振腔的基本理论  18-31
  2.1 引言  18
  2.2 同轴波导中的电磁波  18-20
    2.2.1 同轴波导中Helmholtz方程的通解  18-19
    2.2.2 同轴波导中的横磁波  19
    2.2.3 同轴波导中的横电波  19-20
  2.3 谐振腔的亥姆赫兹方程及边界条件  20-21
  2.4 同轴谐振腔的场分布及参量求解  21-24
    2.4.1 同轴谐振腔的场分布  21-23
    2.4.2 同轴谐振腔的谐振波长  23
    2.4.3 同轴谐振腔的品质因数  23-24
  2.5 开放式谐振腔的基本理论  24-26
    2.5.1 开放式谐振腔的理论概述  24-25
    2.5.2 开放式谐振腔的谐振频率和品质因数  25-26
  2.6 开放式同轴谐振腔理论  26-29
    2.6.1 引言  26-27
    2.6.2 基本方程和理论模型  27-28
    2.6.3 引起开放式同轴谐振腔的腔壁损耗原因  28-29
  2.7 本章小结  29-31
第3章电磁仿真软件HFSS和CST概要  31-38
  3.1 引言  31
  3.2 Ansoft HFSS概述  31
  3.3 Ansoft HFSS解算类型介绍  31-32
  3.4 Ansoft HFSS的仿真步骤  32-33
  3.5 CST概述  33-34
  3.6 CST MWS的特点  34-35
  3.7 CST微波工作室的仿真步骤  35-37
  3.8 本章小结  37-38
第4章结构偏心对同轴波导的影响  38-51
  4.1 引言  38
  4.2 理论模型  38-42
  4.3 平行偏心对同轴波导的影响  42-45
    4.3.1 平行偏心同轴波导的场分布  42-45
    4.3.2 平行偏心对同轴波导本征值的影响  45
  4.4 倾斜偏心对同轴波导的影响  45-49
    4.4.1 倾斜偏心对同轴波导S参数的影响  46-47
    4.4.2 倾斜偏心对同轴波导场分布的影响  47-49
  4.5 本章小结  49-51
第5章结构偏心对开放式同轴谐振腔性能的影响  51-61
  5.1 引言  51
  5.2 模型建立、求解方法及仿真模型的实验验证  51-55
  5.3 平行偏心对开放式同轴谐振腔性能的影响  55-57
  5.4 倾斜偏心对开放式同轴谐振腔性能的影响  57-59
  5.5 仿真结果讨论  59-60
  5.6 本章小结  60-61
第6章结论  61-63
致谢  63-64
参考文献  64-69
攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文  69

同轴波导和开放式同轴谐振腔结构偏心问题的模拟研究

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