圆波导TE01模式的高功率微波功率容量的获取方法与流程

所属的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品，因此，本发明可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

背景技术：

1、高功率微波在定向软杀伤性武器、超远距离通信、高能粒子加速器、等离子体聚变等多个领域有着广泛的应用价值。近年来，高功率微波技术快速发展，高功率微波源产生的功率从mw级增加到gw级，对系统各部分的功率容量提出了更高的要求。器件在高功率微波下的功率容量的计算与电场击穿阈值有关。工程应用中，常采用的电场击穿阈值为30kv/cm，但此击穿阈值是在2个足够大平行极板之间为均匀电场且常温常压下填充干燥空气的前提下计算得出的。当上述条件有一条发生变动时，使用此阈值来计算器件的功率容量都是不规范的。因此，准确地计算电场击穿阈值对于高功率微波器件的应用非常关键。

2、气体放电效应是目前公认的微波击穿现象发生机制，研究器件在高功率微波下的气体放电效应是预测其电场击穿阈值的关键。气体放电效应与器件内部的电场分布有关，具有不同电场分布的器件，其电场击穿阈值的计算方法不同。对于高功率微波系统而言，常采用te01模式的过模圆波导进行长距离微波传输，这是因为te01模式在波导内壁处场强很弱，长距离传输时具有极低的损耗。采用te01模式的过模圆波导进行微波传输可以避免基模传输时内部发生电场击穿和损耗大的问题，提高功率容量。现有的有关腔体器件内高功率微波气体放电效应的研究大多专注于电场分布为传输基模及谐振腔模式的器件，尚未见有关圆波导在te01模式中的高功率微波击穿场强及功率容量计算方法的报道。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，具体提供了一种圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取方法，具体如下：

2、第一方面，本发明提供一种圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取方法，具体技术方案如下：

3、建立圆波导在te01模式中的微波气体放电效应所对应的碰撞电离-扩散吸附模型；

4、构造圆波导在te01模式中的归一化电场强度的试探函数；

5、基于试探函数，并利用直接变分法求解碰撞电离-扩散吸附模型中的本征值，根据本征值计算等效扩散长度；

6、根据等效扩散长度，得到圆波导在te01模式中的电场击穿阈值；

7、利用电场击穿阈值，计算得到圆波导在te01模式中的功率容量。

8、本发明提供的一种圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取方法的有益效果如下：

9、通过求解圆波导在te01模式中的微波气体放电效应所对应的碰撞电离-扩散吸附模型中的本征值，然后计算得到圆波导在te01模式中的功率容量，解决了目前圆波导在te01模式中的高功率微波击穿场强及功率容量计算方法不准确的问题，为工程上分析微波脉宽、气体种类及压强对圆波导在te01模式中的功率容量的影响提供参考。

10、在上述方案的基础上，本发明的一种圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取方法还可以做如下改进。

11、进一步，碰撞电离-扩散吸附模型为：其中，n表示电子密度，λ是本征值，s表示归一化电离频率，q表示归一化附着损耗。

12、进一步，归一化电离频率s的获取方式为：

13、通过归一化电离频率计算公式，计算得到归一化电离频率s，归一化电离频率计算公式为：s＝(e0)β，其中，e0表示：圆波导在te01模式中的归一化电场强度的试探函数，β表示：取决于微波气体放电效应中的气体种类的参数。

14、进一步，试探函数为：e0＝sin(πr)，其中，r表示圆波导的归一化半径，取值范围为(0,1)。

15、进一步，本征值的获取过程包括：

16、通过本征值计算公式，计算得到本征值，本征值计算公式为：其中，α表示优化参数，γ(α+β/2+1)表示将α+β/2+1带入gamma函数，γ(α+1/2)表示：将α+1/2带入gamma函数，γ(α+β/2+1/2)表示将(α+β/2+1/2)带入gamma函数，γ(α+1)表示：将α+1带入gamma函数。

17、进一步，优化参数α的获取方式，包括：

18、通过优化参数计算公式，计算得到优化参数α，优化参数计算公式为：其中，h1＝2/α+ψ(α-1/2)-ψ(α+1)，h2＝ψ(α+β/2+1/2)-ψ(α+β/2+1)，h3＝ψ(α+1/2)-ψ(α+1)，ψ(α-1/2)表示将α-1/2带入普赛函数，ψ(α+1)表示将α+1带入普赛函数，ψ(α+β/2+1/2)表示将α+β/2+1/2带入普赛函数，ψ(α+β/2+1)表示将α+β/2+1带入普赛函数，ψ(α+1/2)表示将α+1/2带入普赛函数。

19、进一步，圆波导在te01模式中的电场击穿阈值为：圆波导在te01模式中且在连续波中的电场击穿阈值eb1，或者，圆波导在te01模式中且在脉冲宽度为τ的脉冲波中的电场击穿阈值eb2，其中，leff表示等效扩散长度，p表示微波气体放电效应中的气体的压强，νc＝5×109p，νc表示：微波气体放电效应中的气体中的电子和中性气体分子的碰撞频率，ω表示连续波或脉冲波的角频率。

20、进一步，等效扩散长度leff的获取过程包括：

21、通过等效扩散长度计算公式，计算得到等效扩散长度leff，等效扩散长度计算公式为：(leff)-2＝r-2(λ-q)，r表示圆波导的半径。

22、进一步，利用电场击穿阈值，计算得到圆波导在te01模式中的功率容量，包括：

23、通过功率容量计算公式，计算得到圆波导在te01模式中的功率容量pm，功率容量计算公式为：其中，ρ表示连续波或脉冲波的驻波系数，eb为eb1或eb2，λo表示连续波或脉冲波的工作波长，λc表示连续波或脉冲波的截止波长。

24、第二方面，本发明还提供一种圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取系统，具体技术方案如下：

25、包括模型建立模块、试探函数构造模块、求解模块、电场击穿阈值计算模块和功率容量计算模块；

26、模型建立模块用于：建立圆波导在te01模式中的微波气体放电效应所对应的碰撞电离-扩散吸附模型；

27、试探函数构造模块用于：构造圆波导在te01模式中的归一化电场强度的试探函数；

28、求解模块用于：基于试探函数，并利用直接变分法求解碰撞电离-扩散吸附模型中的本征值，根据本征值计算等效扩散长度；

29、电场击穿阈值计算模块用于：根据等效扩散长度，得到圆波导在te01模式中的电场击穿阈值；

30、功率容量计算模块用于：利用电场击穿阈值，计算得到圆波导在te01模式中的功率容量。

31、在上述方案的基础上，本发明的一种圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取系统还可以做如下改进。

32、进一步，碰撞电离-扩散吸附模型为：其中，n表示电子密度，λ是本征值，s表示归一化电离频率，q表示归一化附着损耗。

33、进一步，归一化电离频率s的获取方式为：

34、通过归一化电离频率计算公式，计算得到归一化电离频率s，归一化电离频率计算公式为：s＝(e0)β，其中，e0表示：圆波导在te01模式中的归一化电场强度的试探函数，β表示：取决于微波气体放电效应中的气体种类的参数。

35、进一步，试探函数为：e0＝sin(πr)，其中，r表示圆波导的归一化半径，取值范围为(0,1)。

36、进一步，本征值的获取过程包括：

37、通过本征值计算公式，计算得到本征值，本征值计算公式为：其中，α表示优化参数，γ(α+β/2+1)表示将α+β/2+1带入gamma函数，γ(α+1/2)表示：将α+1/2带入gamma函数，γ(α+β/2+1/2)表示将(α+β/2+1/2)带入gamma函数，γ(α+1)表示：将α+1带入gamma函数。

38、进一步，优化参数α的获取方式，包括：

39、通过优化参数计算公式，计算得到优化参数α，优化参数计算公式为：其中，h1＝2/α+ψ(α-1/2)-ψ(α+1)，h2＝ψ(α+β/2+1/2)-ψ(α+β/2+1)，h3＝ψ(α+1/2)-ψ(α+1)，ψ(α-1/2)表示将α-1/2带入普赛函数，ψ(α+1)表示将α+1带入普赛函数，ψ(α+β/2+1/2)表示将α+β/2+1/2带入普赛函数，ψ(α+β/2+1)表示将α+β/2+1带入普赛函数，ψ(α+1/2)表示将α+1/2带入普赛函数。

40、进一步，圆波导在te01模式中的电场击穿阈值为：圆波导在te01模式中且在连续波中的电场击穿阈值eb1，或者，圆波导在te01模式中且在脉冲宽度为τ的脉冲波中的电场击穿阈值eb2，其中，leff表示等效扩散长度，p表示微波气体放电效应中的气体的压强，νc＝5×109p，νc表示：微波气体放电效应中的气体中的电子和中性气体分子的碰撞频率，ω表示连续波或脉冲波的角频率。

41、进一步，等效扩散长度leff的获取过程包括：

42、通过等效扩散长度计算公式，计算得到等效扩散长度leff，等效扩散长度计算公式为：(leff)-2＝r-2(λ-q)，r表示圆波导的半径。

43、进一步，利用电场击穿阈值，计算得到圆波导在te01模式中的功率容量，包括：

44、通过功率容量计算公式，计算得到圆波导在te01模式中的功率容量pm，功率容量计算公式为：其中，ρ表示连续波或脉冲波的驻波系数，eb为eb1或eb2，λo表示连续波或脉冲波的工作波长，λc表示连续波或脉冲波的截止波长。

45、第三方面，本发明还提供一种计算机设备，计算机设备包括处理器，处理器与存储器耦合，存储器中存储有至少一条计算机程序，至少一条计算机程序由处理器加载并执行，以使计算机设备实现上述任一项圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取方法。

46、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有至少一条计算机程序，至少一条计算机程序由处理器加载并执行，以使计算机实现上述任一项圆波导te01模式的高功率微波功率容量的获取方法。

47、需要说明的是，本发明的第二方面至第四方面的技术方案及对应的可能的实现方式所取得的有益效果，可以参见上述对第一方面及其对应的可能的实现方式的技术效果，此处不再赘述。