一种基于迭代法的分段式模式转换器设计方法与流程

本发明属于高功率微波器件设计领域，具体涉及高功率微波模式转换器的设计。

背景技术：

模式转换器是高功率微波传输及发射系统中的重要器件，用于将高功率微波源产生的tm01模式转化为te11模式，从而实现高功率微波的定向辐射，因此高功率微波传输及发射系统中的模式转换器需要具有高转换效率及高功率容量。目前常见的模式转换器设计方法均针对转换效率进行结构优化设计，无法实现对模式转换转换过程中最大场强的精细控制。随着高功率微波源输出功率的不断提高，需要一种能够在保证转换效率的同时，可针对模式转换过程中最大场强进行结构优化的设计方法。

国内外学者做了大量关于模式转换器设计的研究工作，提出了各种不同的结构设计方法。杨仕文等研究人员提出选用三次抛物线、高斯曲线或者两个不同曲率的组合弧线作为模式转换器的轴线，通过优化选定函数参变量获得最佳的模式转换效率，该方法优化参数简单，易于实现，但是该方法设计的模式转换器带宽较窄，且结构长度较长(参见文献：杨仕文等.optimizationofnovelhigh-powermillimeter-wavetm01-te11modeconverters[j].ieeetrans.mtt.，1997，45(4)，pp.552–554)。牛建新、李宏福等研究人员进一步提出了结合拍波周期扰动优化及轴向幅度扰动优化等相位重匹配技术的模式转换器设计方法，该设计方法可提高模式转换效率、增加带宽，但是该设计方法是在选定基本结构的基础上，通过增加相位重匹配系数及微扰系数来实现模式转换，很难保证在指定结构下获得的模式转换器的电性能和结构性能均达到最优(参见文献：牛建新等.高功率圆波导tm01-te11模式转换器[j].强激光与粒子束，2002，14(6)，pp.911–914)。王强等研究人员提出用迭代法设计包括模式转换器在内的高功率微波波导无源器件，该方法计算效率高、可以同时兼顾模式转换器的转换效率和结构长度，但是无法实现针对模式转换过程中最大场强的结构优化(参见文献：王强等.高功率微波波导无源器件迭代设计方法[j].强激光与粒子束，2014，26(6)，063041)。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：根据高功率微波模式转换器设计要求，在现有模式转换器设计方法的基础上，在保证转换效率的同时，实现对模式转换过程中最大场强的精细控制。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于迭代法的分段式模式转换器设计方法的技术方案如下：

本发明一种基于迭代法的分段式模式转换器设计方法，包括如下步骤：

s1、根据选定的圆波导口径大小，计算圆波导横截面上，tm01和te11两种模式按不同功率配比和不同相对相位差混合后叠加场的最大电场值；并根据计算结果分别以两模式的功率配比和相对相位差为x、y轴绘制混合叠加场的最大电场等高线图；

s2、在模式转换过程中，tm01和te11两模式相对相位差为nπ(n为整数)的位置为模式转换器转换过程中的特征点，该位置附近对应了模式转换过程中混合叠加场的电场最大值，选择上述特征位置为模式转换器的特征分段点；

s3、根据场强击穿阈值，合理选择模式转换器的最大电场期望值，结合最大电场等高线图，可得到该场强值条件下模式转换器在特征分段点位置处两模式的功率配比。

s4、利用迭代法结合相位自适应法，将输入端分别由tm01及te11注入时边界条件中缺失的相位信息补充完整，从而计算得到由tm01模式及te11模式到两模式指定功率配比的首尾两段分段结构；利用迭代法结合相位归一化处理后的迭代修正公式，消除中间段两输入端绝对相位不匹配对算法收敛的影响，从而计算得到满足指定功率转换要求的中间段分段结构，并由各分段最终构成完整的模式转换器结构。

进一步地，最大电场值在圆波导模式转换器的金属内壁一倍波长范围内进行取值。

进一步地，选择模式转换器为轴线弯曲型模式转换器，利用基于迭代法的分段式设计方法对该结构模式转换器进行如下分段设计：

1)利用迭代法结合相位自适应法，分别计算由tm01模式及te11模式到两模式指定功率配比的首尾两段结构；

描述模式耦合过程的耦合波方程表示为

其中aj为圆波导中第j个模式的复数幅度，βj为圆波导中第j个模式的波数，kjk为第j和第k个模式之间的耦合系数，对轴线弯曲型模式转换器而言不同模式之间的耦合系数表示为

kjk(z)＝γjkf(z)(2)

其中γjk为由两模式的场型分布决定的常数，f为圆波导弯曲轴线的曲率，该量是轴线弧长z的函数，也是轴线弯曲型模式转换器的优化变量；首段末端的指定注入条件为

利用迭代法求解首段时，采用相位自适应的方法补充首段起始端的边界条件(tm01注入)中缺失的相位信息，以指定注入条件为首段末端的边界条件，以f1(z)＝0为初值，由runge-kutta法求解耦合波方程(1)，获得反向注入时各模式分量沿弧长z的解aj⁽²⁾,j＝1,2,…，其中首段起始端输出量可表示为

提取其中各模式分量的相位作为首段起始端边界条件中对应模式分量缺失的相位信息，同样以f(z)＝0为初值，由runge-kutta法求解耦合波方程(1)，获得正向注入时各模式分量沿弧长z的解aj⁽¹⁾,j＝1,2,…，根据修正公式(5)对弯曲轴线的曲率进行多次迭代优化，并定义迭代计算的收敛判据表达式如(6)所示

当q1<0.02时，认为此时迭代优化所得的曲率f1(z)能够满足首段指定的功率转换要求，将该结构对应首段末端输出记为v1。首段以a2端te11模式注入为边界条件，计算方法同上，将最终优化所得结构对应尾段末端的输出记为v2。

2)采用相位归一化处理的方法对迭代公式进行修正，重新定义了收敛判据，获得满足指定功率转换要求的中间段分段结构；

分别以v1和v2作为中间段起始和末尾两端的边界条件，以f2(z)＝0为初值，由runge-kutta法求解耦合波方程(1)，分别获得正向、反向注入时各模式分量沿弧长z的解b⁽¹⁾和b⁽²⁾，其中中间段末端的模式分量表达式分别为

分别提取其中tm01模式分量的相位β1和δ1对其它模式分量进行相位归一化处理，进而将优化变量的迭代公式修正为

为准确描述两组计算值之间的幅值、相位偏差，本发明定义了如下复数空间的范数距离作为中间段迭代算法的收敛判据

当q2<0.2时，认为此时迭代优化所得的曲率f2(z)能够满足中间段指定的功率转换要求，且获得的中间段末端输出模式的幅值、相位能够满足尾段末端的边界条件要求。

(三)本发明的有益效果

本发明提出了一种基于迭代法的分段式模式转换器设计方法，通过对模式转换过程进行合理分段，并利用迭代法设计满足指定功率转换要求的各分段结构，可在保证转换效率的同时，实现针对模式转换过程中最大场强的结构优化设计。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为圆波导横截面上tm01和te11两模式的混合叠加场的最大电场等高线图；

图3为轴线弯曲型模式转换器的轴线分段结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于迭代法的分段式模式转换器设计方法，包括以下步骤：

s1)根据选定的圆波导口径，绘制圆波导横截面上tm01和te11两模式的混合叠加场的最大电场等高线图

高功率微波模式转换器多为过模圆波导结构，为保证其转换效率在模式转换过程中会尽量抑制除tm01和te11以外的其它高次模出现，因此模式转换过程器件内的场强分布由tm01和te11两种模式构成的混合场决定，且通常金属内壁附近的最大电场值决定了模式转换器的功率容量。根据选定的圆波导口径，理论计算tm01和te11两种模式按不同功率配比和不同相对相位差混合所得叠加场在金属内壁附近的最大电场值，并根据计算结果分别以两模式的功率配比和相对相位差为x、y轴绘制相应的最大电场等高线图。

s2)对模式转换器结构进行分段

以轴线弯曲型模式转换器为例，附图2中的实线和虚线分别对应了单弯型和双弯型模式转换器的转换过程，根据耦合波理论可知，其轴线弯曲方向的反向分段点为该类型模式转换器的特征分段点，该位置处两模式的相对相位差达到π，需要通过转换轴线弯曲方向以实现能量进一步由tm01模式向te11模式转换，同时两模式相位差为π的位置也对应了模式转换过程中的最大电场，通过指定特征分段点位置处两模式的功率配比，即可实现对模式转换过程中最大场强的精细控制。

s3)根据场强击穿阈值，并结合最大电场等高线图，通过指定分段点位置处tm01和te11两模式的功率配比，以实现对模式转换过程中最大场强的精细控制。

s4)利用迭代法结合相位自适应法，将输入端分别由tm01及te11注入时边界条件中缺失的相位信息补充完整，从而计算得到由tm01模式及te11模式到两模式指定功率配比的首尾两段分段结构；利用迭代法结合相位归一化处理后的迭代修正公式，可消除中间段两输入端绝对相位不匹配对算法收敛的影响，从而计算得到满足指定功率转换要求的中间段分段结构，并由各分段最终构成完整的模式转换器结构。

迭代法是一种公开通用的高效的结构优化算法，相位自适应法也是一种公开通用的相位优化方法，本发明将二者结合，进行模式转换器首尾两段的结构设计。并利用迭代法结合相位归一化处理后的迭代修正公式，进行中间段分段结构设计。实际中可以根据需要选择相应的迭代法进行计算。

下面就选取轴线弯曲型模式转换器进行详细的阐述说明。

对轴线弯曲型模式转换器进行分段，轴线分段如图3所示。利用迭代法结合相位自适应法，分别计算由tm01模式及te11模式到两模式指定功率配比的首段和尾段两段结构；描述模式耦合过程的耦合波方程表示为

其中aj为圆波导中第j个模式的复数幅度，βj为圆波导中第j个模式的波数，kjk为第j和第k个模式之间的耦合系数，对轴线弯曲型模式转换器而言不同模式之间的耦合系数表示为

kjk(z)＝γjkf(z)(2)

其中γjk为由两模式的场型分布决定的常数，f为圆波导弯曲轴线的曲率，该量是轴线弧长z的函数，也是轴线弯曲型模式转换器的优化变量。首段末端的指定注入条件为

利用迭代法求解首段时，需要补充首段起始端的边界条件(tm01注入)中缺失的相位信息，本发明采用相位自适应的方法解决该问题。即，以指定注入条件为首段末端的边界条件，以f1(z)＝0为初值，由runge-kutta法求解耦合波方程(1)，获得反向注入时各模式分量沿弧长z的解aj⁽²⁾,j＝1,2,…，其中首段起始端输出量可表示为

提取其中各模式分量的相位作为首段起始端边界条件中对应模式分量缺失的相位信息，同样以f(z)＝0为初值，由runge-kutta法求解耦合波方程(1)，获得正向注入时各模式分量沿弧长z的解aj⁽¹⁾,j＝1,2,…，根据修正公式(5)对弯曲轴线的曲率进行多次迭代优化，并定义迭代计算的收敛判据表达式如(6)所示

当q1<0.02时，认为此时迭代优化所得的曲率f1(z)能够满足首段指定的功率转换要求，将该结构对应首段末端输出记为v1。尾段以a2端te11模式注入为边界条件，计算方法同上，将最终优化所得结构对应尾段末端的输出记为v2。

2)利用迭代法求解中间段时，需要消除中间段首尾两端边界条件的绝对相位不匹配导致的迭代算法收敛失败，本发明采用相位归一化处理的方法对迭代公式进行修正，并重新定义了收敛判据，以获得满足指定功率转换要求的中间段分段结构。

分别以v1和v2作为中间段起始和末尾两端的边界条件，以f2(z)＝0为初值，由runge-kutta法求解耦合波方程(1)，分别获得正向、反向注入时各模式分量沿弧长z的解b⁽¹⁾和b⁽²⁾，其中中间段末端的模式分量表达式分别为

分别提取其中tm01模式分量的相位β1和δ1对其它模式分量进行相位归一化处理，进而将优化变量的迭代公式修正为

为准确描述两组计算值之间的幅值、相位偏差，本发明定义了如下复数空间的范数距离作为中间段迭代算法的收敛判据

当q2<0.2时，认为此时迭代优化所得的曲率f2(z)能够满足中间段指定的功率转换要求，且获得的中间段末端输出模式的幅值、相位能够满足尾段末端的边界条件要求。

由以上实施实例可以看出，本发明的方法实现了对模式转换过程中最大电场值的精细控制，能够在保证转换效率的同时，针对模式转换过程中的最大电场值进行结构优化；该方法利用迭代算法对模式转换器进行分段设计，计算效率高，可快速预估不同口径圆波导模式转换器的功率容量上限，对高功率微波模式转换器的设计选型具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。