Введение к работе
Предмет исследования и актуальность темы. В настоящее время вол-новодные линии передачи микроволнового излучения широко применяются в установках управляемого термоядерного синтеза, установках микроволновой обработки материалов, ускорителях заряженных частиц, радарах высокого разрешения, системах связи. Приложения требуют разработки линий передачи, выдерживающих излучение высокой мощности и обладающих малыми потерями. Многомодовые волноводные компоненты с диаметром поперечного сечения от нескольких длин волн до нескольких десятков длин волн в диапазоне частот от десяти гигагерц до нескольких сотен гигагерц во многих случаях являются оптимальным решением: по сравнению с одномо-довыми волноводами они имеют значительно меньшие омические потери, а также способны передавать существенно большую мощность без возникновения высокочастотного пробоя [1-7]. Однако при проектировании таких компонентов возникает необходимость обеспечить либо сохранение заданной волноводной моды, либо преобразование одной моды в другую при наличии дополнительных требований, таких например, как переход с одного сечения на другое или поворот оси волновода. В некоторых случаях задача имеет аналитическое решение [8-10], но как правило количество мод при этом не превышает двух-трех, в то время как часто необходимо обеспечить устранение нескольких десятков посторонних мод. Допустимые значения потерь во многих случаях ограничены процентами и даже долями процента. Таким образом, существует потребность в регулярном методе синтеза поверхности многомодовых волноводных компонентов, обеспечивающего 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 поверхности. Цели диссертации состояли в формулировке и реализации метода синтеза, позволяющего получать высокоэффективные решения для широкого класса деформаций поверхности волновода за короткое время, а также экспериментальной проверке синтезированных преобразователей.
Состояние проблемы и научная новизна работы. Возможность решения поставленной задачи непосредственно связана с мощностью имеющихся вычислительных систем - она должна как минимум давать возможность достаточно точно решать задачу нахождения электромагнитного поля в системе заданной геометрии. Примерно с середины 80-х годов XX века в мире получили широкое распространение ЭВМ, отвечающие этому требованию. Основные попытки синтеза волноводных преобразователей заключались в реализации методов оптимизации общего назначения. К настоящему времени несколько таких методов (например, методы градиентного спуска, методы случайной оптимизации: генетический алгоритм и метод роя частиц) были успешно реализованы [11-21], однако их общим недос-
татком являются высокие требования к вычислительной мощности и, как следствие, значительные ограничения на параметры синтезируемых компонентов.
В диссертационной работе предложен новый метод синтеза, отличающийся быстрой сходимостью и высокой эффективностью полученных компонентов. Предложенный метод реализован для нескольких практически важных вариантов геометрии поверхности волновода: изгибной деформации волновода постоянного круглого сечения, прямого волновода круглого сечения переменного радиуса, а также для произвольной малой деформации поверхности прямого волновода с сечением, близким к круглому. Предложены также модификация метода для синтеза широкополосных волноводных преобразователей и метод минимизации дифракционных потерь в квазиоптических разрывах сверхразмерных волноводов. Синтезированные новым методом преобразователи изготовлены и экспериментально проверены.
Практическая значимость диссертационной работы. Предложенный метод синтеза позволяет получить высокоэффективные волноводные компоненты, обладающие малыми габаритами, что позволяет их использовать в абсолютном большинстве линий передачи СВЧ-излучения в широком диапазоне частот (от нескольких гигагерц до нескольких сотен гигагерц) и размеров поперечного сечения (до ста длин волн). Синтезированные компоненты уже используются в технологических гиротронных установках, стеллараторе LHD (NIFS, Toki, Japan), установке дистанционного управления качанием волнового пучка (FOM institute, Rijnhuizen, Holland) и других.
Апробация и публикация результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1а-19а] и докладывались на 30-ой Международной конференции по терагерцовой электронике (2005, Виль-ямсбург, США), 31-ой Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (2006, Шанхай, КНР), VI Международной конференции «Мощные микроволны в плазме» (2005, Нижний Новгород), XIV Отраслевом координационном семинаре по СВЧ-технике (2005, Нижний Новгород), X и XI школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (2005, 2007, Звенигород Московской обл.), X школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (2006, Звенигород Московской обл.), X-XII Нижегородских сессиях молодых ученых (2005-2007), конкурсах молодых ученых ИПФ РАН (2006, 2007) и внутренних семинарах ИПФ РАН (2003-2006).
Личный вклад автора. Публикации [6а,8а,10а,15а,16а,18а,19а] написаны совместно с научным руководителем. В публикациях [1а,3а] соискатель внес определяющий вклад в разработку метода синтеза волноводных пре-
образователей, также им была выполнена реализация метода для одномерных и двумерного вариантов деформации поверхности волновода. В публикациях [2а,7а,9а,12а,13аД7а] соискатель внес существенный вклад в разработку метода минимизации дифракционных потерь в квазиоптических разрывах сверхразмерных волноводах, рассчитывал соответствующие волно-водные преобразователи и участвовал в экспериментальной проверке синтезированных компонентов. В публикации [4а] соискатель рассчитывал оптимизированное поле для прохождения мощных пучков через окно и соответствующий волноводный преобразователь. В публикациях [5а, 11а, 14а] соискатель рассчитывал волноводный поворот на моде TE0i.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы, включающего и работы автора. Общий объем диссертации составляет 82 страницы, включая 48 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 64-х наименований.