模式匹配与积分方程在HPM模拟中的应用

针对具有电大尺寸、厚介质罩且馈源采用特定模式激励的高功率微波(HMP)传输及辐射结构研究了一种新型的电磁建模技术。将模式匹配方法与积分方程方法进行混合,构建了电磁模型的方程组,采用多层快速多极子技术、预条件器等进行求解加速,最终形成了可对电大尺寸HPM传输、辐射系统进行高效全波电磁仿真的技术。以电大变张角喇叭馈源、功率合成天线、波束波导及波束波导天线作为实例,构建了几何及电磁模型,并进行了包括远区方向图、近区功率密度分布在内的数值模拟,对该技术的正确性和通用性进行了验证。结果表明,该技术边界拟合准确,内存消耗低,且对馈电模式能予以准确反映,适用于HPM传输发射的高效高精度模拟。     

三镜波束波导在高功率微波天线中的应用

通过对波束波导馈电卡塞格仑天线工作原理的分析,论述了波束波导在高功率微波辐射天线中的应用及设计方法,重点介绍了一套利用波束波导馈电高功率微波辐射天线。该天线利用由三面反射镜组成的波束波导对一个由两个抛物面镜组成的双反射面天线进行馈电,实现了波束的快速扫描。该天线工作在X波段时,功率容量大于1GW,天线增益大于50dB。     

辐射传输的格子Boltzmann模拟

辐射动力学理论是描述辐射传输是重要手段,基于此,本文建立了辐射能和辐射动量守恒方程,并基于Chapman-Enskog多尺度展开方法实现了从辐射传输Boltzmann方程到宏观方程的推导,进而建立了适于一维辐射传输的2分量格子Boltzmann模型。数值结果与精确解吻合较好,表明本文提出的LBM方法具有很好的准确性和稳...     

口径天线与近区厚介质体复杂系统的电磁建模

针对口径天线及其近区任意厚均匀介质体的复杂系统,应用表面积分方程(SIE)方法结合模式匹配方法(MM)建立了模式激励的新型一体化电磁模型。在馈电端口采取模式匹配方法模拟了波导中的激励情况,将金属壁处理为理想导电体,并在金属壁上利用边界条件建立电场积分方程(EFIE);利用零场等效原理在介质体内外表面分别建立电场积分方程和磁场积分方程(MFIE),并组合内外表面建立的电场积分方程和磁场积分方程为PMCHW方程;最后使用矩量法对所建立的EFIE-PMCHW-MM组合方程进行求解。文中结合喇叭天线设计了两个典型算例,所提混合方法 EFIE-PMCHW-MM给出的数值结果与商用软件FEKO高度一致,且在求解口径天线与近区厚介质体耦合问题时由于未知量显著减少,大幅度提高了仿真效率,降低了计算机资源消耗。     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

隐-显积分因子间断Galerkin方法求解二维辐射扩散方程

提出一种求解二维非平衡辐射扩散方程的数值方法.空间离散上采用加权间断Galerkin有限元方法,其中数值流量的构造采用一种新的加权平均;时间离散上采用隐-显积分因子方法,将扩散系数线性化,然后用积分因子方法求解间断Galerkin方法离散后的非线性常微分方程组.数值试验中在非结构网格上求解了多介质的辐射扩散方程.结果表明:对于强非线性和强耦合的非线性扩散方程组,该方法是一种非常有效的数值算法.     

基于特征基函数的球面共形微带天线阵列分析

采用全波分析法对球面共形微带天线阵列进行了分析.相比体-面积分方程,采用球并矢格林函数的面积分方程法可以大幅减少未知量的数目,进而缓解计算机内存压力.微带天线阵列表面采用曲面三角形剖分,可较精确地模拟球面特性.首先,引入边界电荷以及半Rao-Wilton-Glisson基函数,成功实现了探针馈电,并采用镜像法解决了馈电边处线积分奇异问题.然后,采用特征基函数法降低了阻抗矩阵的阶数,并采取有效措施进一步节省内存和计算时间.最后,分析计算了不同尺寸的球面共形微带天线阵列的输入阻抗及远区场特性.与文献和仿真软件结果进行比较,证明了所提出的处理方法的正确性和有效性.     

海洋-大气耦合矢量辐射传输粗糙海面模型

详细导出了粗糙海面的反射矩阵、透射矩阵和源函数矢量计算模型,并应用于海洋-大气耦合矢量辐射传输数值计算模型PCOART。在此基础上,分别利用粗糙海面瑞利大气矢量辐射传输问题和海洋-大气耦合辐射传输问题对粗糙海面模型进行了验证,结果表明,模型计算得到的粗糙海面大气瑞利散射斯托克斯矢量是精确的,且瑞利散射辐亮度计算相对误差小于0.5%。粗糙海面海洋-大气耦合辐射传输问题验证结果表明该粗糙海面计算模型是精确的。相对已有的标量粗糙海面海洋-大气耦合辐射传输模型,该模型不仅可以获得整个海洋-大气耦合系统的辐亮度场,而且可以获得辐射斯托克斯矢量场。     

海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算

瑞利散射计算精度对海洋水色遥感大气校正的精度起着关键作用,为了提高瑞利散射的计算精度,需要求解平行分层大气矢量辐射传输方程。详细地推导了加倍法解大气矢量辐射传输方程的基本关系式,并阐述了利用加倍法解矢量辐射传输方程的原理。通过与海视宽视场遥感器(SeaWiFS)精确瑞利散射查找表计算结果的比较,证明利用加倍法计算瑞利散射的精度优于0．5％,完全能够满足海洋水色遥感大气校正对瑞利散射计算精度的要求,并可以用来生成海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射查找表。最后,利用开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包,生成了海洋水色及水温扫描仪的精确瑞利散射查找表。开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包可直接用于我国第二代高性能海洋水色遥感器精确瑞利散射查找表的生成。     

模拟短脉冲激光在介质中传输的扩散综合有限元法

建立有限元模型,通过求解瞬态辐射传输方程模拟短脉冲激光在半透明介质中的传输.针对散射占优性半透明介质内辐射传输求解效率较差的问题,采用扩散综合加速迭代算法,提高计算效率,缩短计算时间.结果表明:采用精确解析式描述脉冲激光散射源项的求解策略可以获得准确的计算结果,精确地模拟快速变化的波前,不会产生数值扩散和数值振荡.此外,扩散综合迭代算法的计算时间仅为源项迭代的50%~60%.     

高功率微波高斯馈源口面场分析

 用波导本征模展开方法对用于高功率微波发射系统的方角锥高斯馈源口面场进行分析，提出结合馈源远场辐射特性和避免高功率击穿折衷选定相应的高斯模注腰半径，进而确定多个波导模幅值，从而为运用模匹配或耦合波理论设计高斯馈源提供依据。     

高功率微波行波阵列纵向宽角扫描特性

利用机械调节波导宽边尺寸可变化波导波长,从而实现变频波束扫描相同的效果,针对窄边辐射波导行波阵的波束扫描特性进行了分析,以实现宽角波束扫描为目标,着重分析了不同辐射缝隙间距下变化宽边所能得到的最大波束扫描范围。设计了通过变化宽边尺寸实现宽角扫描的X波段窄边辐射波导缝隙阵,设计波束扫描范围指向波导馈入端,避开阵列法向辐射(此方向辐射效率较低),实现了29°的连续波束扫描范围,在波束扫描范畴内增益下降小于3 dB,辐射效率大于62%;设计缝隙宽度3 mm, 波导长度约1 m(缝隙数40),单根波导缝隙天线可实现高功率微波功率容量70 MW。     

Radiation field propagation in low-contrast single-mode optical waveguides

In short waveguides used in integrated optical circuits, the radiation field is often present in the guiding region of a waveguide as well as the guided modes. We show that this can be investigated efficiently by extracting the radiation part from the total input field and simulating its evolution along the waveguide by use of the beam propagation method. The results are presented for a single-mode waveguide and a waveguide junction excited by a Gaussian beam. For a noncentred excitation, a considerable fraction of the radiation power is still in the guiding region after propagation over several tens of micrometres, and can be coupled to guided modes past the junction.     

Broadband generation of terahertz radiation in a waveguide

We report a novel geometry that allows for the phase-matched generation of broadband terahertz radiation in a polymer-based parallel-plate metal waveguide by means of optical rectification. Both the optical pump beam and the generated terahertz radiation propagate in the fundamental mode of the waveguide. This allows for noncritical phase matching over a broad range of terahertz frequencies. We demonstrate guided-wave interaction lengths of up to 3 mm.     

An improved design for quasi-optical mode conversion of whispering gallery mode gyrotron radiation

Results are reported of a theoretical and experimental investigation of a quasi-optical mode converter for the transformation of whispering gallery mode gyrotron output into a linearly polarized Gaussian like beam. The mode converter consists of a helically cut waveguide launcher, similar to that originally proposed by Vlasovet al, followed by a focusing mirror. Theoretical results using aperture field methods indicate that the length of the waveguide launcher is of critical importance in providing a confined radiation pattern. Experimental results on the radiation pattern were obtained for several launcher lengths using a 0.6 MW, 149 GHz pulsed gyrotron operating in the TE_16,2 mode. Radiation pattern results for the optimum launcher length agree well with theoretical calculations using the Stratton-Chu aperture radiation theory for unperturbed waveguide modes. A mirror focusing in the azimuthal direction was designed by a geometrical optics approach to focus the radiation coming from the launcher. Good focusing with 91.4% efficiency (power in the focused beam divided by gyrotron power) was found experimentally using the combined launcher and mirror with the pulsed gyrotron. These results indicate that quasi-optical antennas are useful for transforming high order, high frequency gyrotron modes into directed beams in free space.     

未磁化等离子体介质切连科夫脉塞的线性理论

利用线性自洽场理论，讨论了电子在扰动场作用下的三维扰动．在此基础上，对常用的薄环形相对论电子环束在填充未磁化等离子体的介质筒慢波波导中激励的切连科夫辐射进行了详细的分析，导出了此电子环束与慢波系统中任意波导模互作用的色散方程和波增长率，并对其进行了详细的分析和讨论．分析表明切连科夫辐射是由其波导模与电子注模耦合所致．最后详细计算和分析了等离子体密度对色散特性和波增长率的影响 关键词：     

Evaluation of optical propagation and radiation in optical waveguide using a numerical method

We introduce a mathematical model based on a concept of intrinsic mode in order to analyse and synthesise optical wave propagation and radiation occurring in a non-uniform optical waveguide used in integrated optics as optical coupler. The model is based on numerical evaluation of electromagnetic wave by applying an intrinsic field integral to evaluate the field behaviour inside the optical waveguide. To analyse the field distribution inside the non-uniform waveguide and predict the beam propagation of optical energy involved in the propagation process, it is necessary to track the motion of any observation point along the tapered waveguide itself. Physically, the rays of the spectrum undergo reflections on the waveguide boundaries until the cut-off occurs and the phenomena of radiation begin. The numerical results show good agreement with those obtained by classical methods of evaluation used bv other works.     

矩形波导中超短脉冲电子束的相干同步辐射

考虑了当射频调制的超短脉冲电子束径向长度远小于辐射波长时，将其理想化为δ时间函数，提出了用波导本往模展开的方法来计算矩形波导中超短脉冲电子束的相干同步辐射及其频率特性。结果表明：（１）当谐振频率等于调制电子束微脉冲时间隔的射频的整数倍时，辐射模式表现为“纯”的波导本征模。（２）波导效应使得超短脉冲电子束在两个频率处发生相干同步辐射，而且低频支的辐射功率高于高频支的。最后指出波导自由电子激光器单横模     

用于自由电子激光的S波段J型波导馈电加速管

随着波导式耦合行波加速管设计梯度的日益提高,为了防止加速管输入耦合器电场的横向动量在束流通过加速器耦合器时引起束流品质的下降,侧壁开有两个对称耦合孔的对称双馈圆柱腔获得了广泛的应用。研制的S波段J型波导馈电加速管即为双馈圆柱腔中的一种,研制样管在老练平台上老练时的最高加速梯度达到30 MV/m。然而因为四极场的存在,开有两个耦合孔的圆柱耦合腔内,仍然会引起轴向电场的幅度和相位在横向的梯度,从而使束流发射度变差。在理论上对J型波导馈电的跑道式耦合腔进行了研究,通过与圆柱腔进行比对模拟计算,证明跑道式耦合器可以很好地改善轴向电场在横向平面内非近轴区域沿圆周的场强一致性,从而减小四极场的影响。重要的是,J型波导馈电跑道式耦合腔的机械加工、测试比圆柱腔更加容易实现,是未来双馈加速器发展的一个理想方向。     

Investigation of Far Infrared Waveguide Free Electron Laser Driven by RF Linac

ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＦａｒＩｎｆｒａｒｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＦｒｅｅＥｌｅｃｔｒｏｎＬａｓｅｒＤｒｉｖｅｎｂｙＲＦＬｉｎａｃＨＵＳｕｘｉｎｇ；ＦＵＥｎｓｈｅｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃａｌａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎ...