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三亚学院毕业论文三亚学院毕业论文 设计设计 论文模板下载论文模板下载 三亚学院毕业论文 设计 论文 设计 题目构带隙重叠现象的抑 制学院理工学院专业 方向 通信工程年级 班级通信0901学生学 号0910711020学生姓名张三指导老师李四年月日THz高阶模同轴布喇 格结三亚学院毕业论文 设计 第II页论文独创性声明本人所呈交 的毕业论文 设计 是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及 取得的成果 除特别加以标注的地方外 论文中不包含其他人的研究成果 本论文如有剽窃他人研究成果及相关资料若有不实之处 由本人承 担一切相关责任 本人的毕业论文 设计 中所有研究成果的知识产权属三亚学院所 有 本人保证发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为三亚学 院 无论何时何地 未经学院许可 决不转移或扩散与之相关的任 何技术或成果 学院有权保留本人所提交论文的原件或复印件 允许论文被查阅或 借阅 学院可以公布本论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩 印或其他手段复制保存本论文 加密学位论文解密之前后 以上声明同样适用 论文作者签名年月日批注 微软用户1 页面设置1 页眉每版页眉为 三亚学院毕业论文 设计 第页 宋体五号 2 页边距版面上页边距30mm 下页边距25mm 左页边距30mm 右页 边距20mm 行间距为1 5倍行距 3 页码的书写要求摘要和目录的页码采用大写罗马数字编写 如 从正文开始至附录采用阿拉伯数字编写页码 封面和任务书不编页码 每一章均重新开始一页 章标题前空一行 正文段落和标题一律取 1 5倍行距 不设段前与段后间距 三亚学院毕业论文 设计 第I页THz高阶模同轴布喇格结构带隙重 叠现象的抑制摘要高功率毫米亚毫米波源 在雷达 等离子体加热 高能加速器 通信等方面有着重要的应用前景 一直以来受到各 国的重视 而高功率毫米波器件是高功率微波技术的一个重要方向 布喇格反 射器 Bragg reflector 是其中的一个重要分支 是目前国内外研究的热点 在过去几年里 布喇格反射器一直被广泛应用在微波领域和光学元 器件中 尤其是在模式耦合 回旋自谐振脉塞 和工作在毫米以及 亚毫米波范围内的自由电子激光方面的应用 在早期的工作中 大量的理论和实验研究都是针对圆柱或者平面布 喇格结构 在这些结构中我们只能对一个导体或者介质提供周期性 的扰动 最近 由于在提高高功率自由电子器件中表现出很多独特的优越性 使得基于同轴波导的布喇格结构吸引了越来越多的关注 本论文对内外导体单独或者同时开槽的正弦波纹同轴布喇格结构的 特性 进行了较为全面的研究 通过耦合模理论的方法通过Fortan软件实现对同轴布喇格带隙重叠 现象的抑制研究 研究表明提出通过设置内外导体波纹的坡度方式 和坡度角来对带隙的重叠进行有效地抑制 进一步研究了在波纹幅度引入汉明窗分布后同轴布喇格结构的多波 耦合时的带隙特性 提出了对同轴布喇格结构内外导体开槽幅度同 时引入汉明窗分布来消除残留旁瓣的混叠 关键词 同轴布喇格结构 耦合模理论 带隙重叠 窗函数 残 余旁瓣批注 微软用户2 黑体小二号字 居中 上空一行 批注 微软用户3 黑体小三号 居中 批注 微软用户4 摘要正文宋体小四号 1 5倍行距 批注 微软用户5 关键词 居行首 黑体小三号 关键词的具体 内容为宋体小四号 1 5倍行距 关键词3 5个 每个关键词之间用逗号分开 三亚学院毕业论文 设计 第II页Effect ofripple taperon band gap overlapin a coaxial braggstructure operatingat terahertzfrequency AbstractHigh power radiationsources in millimeter and sub millimeter waveshave agreat prospectof applicationsto radar plasma heating high gradient linearcolliders and munications and therefore attract moreand moreattention inmany countries Microwave devicesplay animportant rolein high power microwavetechnology And asone ofmicrowave devices Bragg reflectoris focusedby researchersin theworld In thepast years the Braggresonators havebeen widelyemployed inmany microwaveand opticaldevices Especially it isthe mostsuitable cavityfor over mode high power cyclotronauto resonance maser CARM and free electron laser FEL inmillimeterandsub millimeter waveranges In previousworks extensive theoreticaland experimentalstudies havebeen devotedto theconventional cylindricaland planarBragg structures where onlyone conductoror dielectricis providedperiodic perturbations Recently growing attentionhas beenpaid tothe coaxial Bragg structuresrealized bycoaxial metallicwaveguides dueto theirsattractive meritsin improvingthe performanceof high power free electron device prehensive investigationis presentedin thisdissertation todemonstrate thepeculiarities of the coaxialBragg structurewith eitherone orboth of the conductorssinusoidally corrugated Furthermore band gaps peculiaritiesoftheovermoded coaxialBragg structurewith Hamming window distributioncorrugations areinvestigated interms ofmultiwave coupledtreatment where theresults revealthat theresidual side lobes interactionoftheinvolved modescan beentirely eliminatedby applyingHamming window distributionto boththe outer conductor andinner rod corrugations Key Words coaxialBragg structure coupled formulation band gap overlap windowing function residual side lobes批注 微软用户6 外文题目 摘要和关键词的字体为 Time s NewRoman 字号 行间距等与中文相一致 正文部分两端对齐 标题一般写到三级 不出现四级 目录中的内容字体 字号与正文保持一致格式 三亚学院毕业论文 设计 第1页1绪论1 1研究背景高功率微波 Hi gh PowerMicrowave HPM 1 是20世纪70年代以来随着脉冲功率技术的 发展而产生的一门新兴学科 是脉冲功率技术与等离子体物理学及 电真空技术相结合的产物 它的崛起是近代微波理论和技术的迅速 发展而推动起来的 由于高功率微波研究使高功率和高能量电磁辐射的产生成为可能 近几年来 高功率微波已形成一门新技术 它既有一些新的应用 又能对现实的某些应用提供创新的方法 它包括高功率微波电磁脉冲产生技术 相对论强流电子束产生与维 持技术 HPM元器件技术 HPM定向发射和传输技术以及HPM应用技术 等领域 它极大地促进了高功率雷达 超级干扰机 等离子物理和HPM武器等 的发展 在实际应用需求的驱动下 更高功率 更高能量 更高频率及带宽 微波源的研究和发展引起了国内外学者的极大兴趣 是目前国际上 一个相当活跃的研究领域 作为高功率微波源家族中的一员 自由电子激光和相对论CHERENKOV 器件是最有前途的高功率微波器件之一 至今为止 人们对这类器 件的研究兴趣正与日俱增 布喇格反射器作为高功率微波器件的一种 也成为了国内外研究的 热门 2 布喇格反射器是一种典型的光子晶体结构 能够在一定频 率范围内产生 光子禁带 使落在 光子禁带 的电磁波全部得 到反射 布喇格结构最基本的特征就是具有电磁禁带 对于给定的模式 存在着一系列的布喇格频率使得该模式的正反两 个方向传播的波严格地满足布喇格条件 在以这些布喇格频率作为中心频率的一定频率范围内 由于同相相 干的相位匹配条件大致能够满足 正向波在这个频段会产生极大的 反射而使传播受到抑制 这样就相当于在频谱上形成一段电磁波禁 止传播的区域 即所谓的电磁禁带 Electromagic stopband 或电磁带隙 Electromagic bandgap 利用这种在频谱上形成的带隙特性 布喇格结构在其禁带可形成一 个频率选择性的反射面起到反射器和滤波器的作用 而在其禁带两 边的通带上则可形成一系列通带本征模起到传输型谐振腔的作用 1 2国内外研究动态高功率微波技术经过了几十年的发展 已逐渐走 向成熟 其研究焦点已经相对稳批注 微软用户8 正文段落和标题 一律取 1 5倍行距 不设段前与段后间距 正文采用宋体小四号 字 批注 微软用户9 一级标题黑体小三号 批注 微软用户10 二级标题黑体四号 三级标题黑体小四号 批注 微软用户11 全文中的英文字符均采用Times NewRoman字体 字号与所在的文字段对应 科学技术名词术语尽量采用全国自然科学名词审定委员会公布的规 范词或国家标准 部标准中规定的名称 尚未统一规定或叫法有争 议的名词术语 可采用惯用的名称 使用外文缩写代替某一名词术语时 首次出现时应在括号内注明全 称 外国人名一般采用英文原名 按名前姓后的原则书写 一般很熟知的外国人名 如牛顿 爱因斯坦 达尔文 马克思等 应按通常标准译法写译名 批注 微软用户12 引用文献标注应在引用处正文右上角用 和参考 文献编号表明 字体用五号字 按照顺序标注 三亚学院毕业论文 设计 第2页定的集中在几个有限的高功率微波 源上 高功率微波源的研究工作除了向更高功率发展以外 最主要的还是 向小型化 灵巧化 频率可调的可重复运行的高功率微波源发展 除此之外 研制紧凑型的长脉冲高功率微波源是各国科学家追求的 另一个目标 虽然在研究过程中遇到了许多问题 而且这些问题制约着高功率微 波源的发展 但是我们相信 因其潜在的军事应用前景和工业应用 前景 在不远的将来这些问题会得到进一步解决 使高功率微波技 术得到长足发展 成为21世纪人类科学技术进步的重要标志之一 布喇格结构的带隙特性使其在光电子以及微波电子器件中得到了广 泛的应用 早在上个世纪七十年代 布喇格结构在集成光学的应用就得到了迅 猛发展 到目前为止 布喇格结构在光电子学的应用可以说几乎涉及光发射 光放大 光滤波 光交换 光接受以及色散补偿等各种领域 在微波电子学领域 早在1968年 Kovalev等人就提出在金属波导内 壁刻蚀周期性的螺旋型波纹来实现多模工作情况下的选择性模式转 换 3 这类螺旋波纹波导实际上就是一种二维布喇格结构 即构成 媒质沿两个方向 角向与纵向 都具有周期性分布的结构 在1980年 他们又提议利用这种金属布喇格结构来构建工作于毫米 亚毫米波段开放式谐振腔 金属布喇格结构在CARM振荡器 自由电子激光振荡器及高功率微波 模式转换器中得到广泛应用 事实上 在诸如CARM振荡器这种高功率真空电子器件中采用布喇格 结构其优点是显而易见的它不仅可以提供很好的选频 选模特性 而且不影响相对论电子束通过 从而避免了通常激光器采用端面反 射镜阻断电子束及承受大功率破坏等一系列问题 1 3论文的研究内容和意义由于国内外对高功率微波器件的现状以及 未来高功率微波器件的发展要求 本文对坡度对THz同轴布喇格结构 的带隙重叠现象的抑制进行了研究 在绪论中 详细介绍了布喇格结构的研究背景 分析了目前所存在 的主要问题 提出了本文的研究目标和研究的内容 首先 介绍正弦波纹同轴布喇格结构多波耦合理论以及多波耦合理 论分析模型 利用已报道的实验数据对提出的多波耦合模型进行了 验证 并且用示例证明了多模耦合分析的重要性 然后 对THz频段高阶模同轴布喇格结构带隙特性进行研究 利用耦合波理论研三亚学院毕业论文 设计 第3页究了一个以TE6 1模式工作于0 35THz的正弦波纹同轴布喇格结构在不同开槽条件下 的带隙特性 发现了同轴布喇格结构在过模工作时普遍存在着带隙 重叠的现象 在此基础上提出了带隙分离的方法 接着 引入了坡度开槽同轴布喇格结构的概念 建立了模拟仿真模 型 研究模拟了低频低阶单模情况下正圆锥形坡度和倒圆锥形坡度 在加不同坡度角时对同轴布喇格结构频率响应的影响 发现具有正 圆锥形坡度的同轴布喇格结构的带宽随着所加坡度角的增大而变窄 具有倒圆锥形坡度的同轴布喇格结构的带宽随着所加坡度角的增 大而变宽 并得出坡度对带隙重叠现象的抑制 引入窗函数来抑制坡度开槽同轴布喇格结构频率响应曲线残余旁瓣 的方法 发现加窗函数后频率响应曲线的残余旁瓣得到了有效的抑 制 提出了对同轴布喇格结构内外导体开槽幅度同时引入加窗分布来消 除残留旁瓣的混叠 最后 总结了本论文的主要工作 得出了一些有意义的结论 三亚学院毕业论文 设计 第4页2正弦波纹同轴布喇格结构多模耦 合理论2 1引言正如绪论所述 由于在诸多领域有着广泛的应用前景 布喇格结构的研究受到国际上的普遍重视 尤其在微波电子学领域 由金属布喇格结构所构成的布喇格谐振腔 被认为是工作于毫米 亚毫米波段的回旋自谐振脉塞 CARM 和自 由电子激光 FEL 振荡器最为合适的腔体结构 一般而言 布喇格结构是由内表面刻蚀成正弦或者矩形波纹槽的平 面或者圆柱波导形成 最近 由于同轴结构在高功率回旋器件所展现出的优越特性 基于 同轴波导的布喇格结构获得了越来越多的关注 4 耦合波理论是研究布喇格结构的电磁特性极为有效的方法 目前 现有的少量文献中给出的对于同轴布喇格结构中耦合问题的 描述存在很大的局限性 如只给出了低阶模式间的耦合系数 TEM自 耦合及TEM模式与TM0 n模式的耦合 在建立耦合波方程的过程中 要求带隙不能重叠 仅用两个行波分量 同一模式或两种模式 的 叠加来表示布喇格结构内的总场同时忽略了布喇格失配项的贡献 实际上 对于工作于数百GHz甚至THz频段的大尺寸布喇格结构 由 于过模 over mode 工作而导致的带隙重叠几乎是不可避免的 为了分析过模工 作的布喇格结构电磁特性 我们有必要建立关于同轴布喇格结构相 对完善的耦合波理论 针对现有同轴布喇格结构耦合波理论的不足 本章做了以下两方面 的尝试首先 在考虑带隙重叠以及布喇格失配项的基础上 推导了 同轴布喇格结构的多波耦合方程组及相应的耦合系数 其次 利用 已报道的实验数据对提出的多波耦合模型进行了验证 并且用示例 证明了多模耦合分析的重要性 2 2多波耦合理论分析模正弦波纹同轴布喇格结构的纵向剖面结构如 图2 1所示 其中pb为波纹的空间周期 0a outl out 分别是该 段布喇格结构外导体平均半径 波纹幅度 波纹初始相位 0b inl in 则分别是该段布喇格结构内导体平均半径 波纹幅度 波纹 初始相位 为了便于分析 我们选择正交曲线坐标 rz 为参考坐标系 其 单位矢量为 r z 在此 布喇格结构外壁半径Rout和内导体半径Rin可分别表示成关于 纵向位置z变化的函数三亚学院毕业论文 设计 第5页out0outlout zcos bRak z 2 1 in0inin zcos bRblk z 2 2 其中2 bbkp 外壁内法向方向out n与径向单位矢量 r的夹角out 以及内导体外 法向方向in n与径向单位矢量 r的夹角in 可以分别表示成 outou toutl kouttansinbbdRdzk z 2 3 inininintansinbbdRl kk zdz 2 4 假设同轴布喇格反射器中存在N种模式 根据同轴 布喇格反射器多模耦合理论 其中第i模式 i 1 2 N 的沿 z正方向传播的波 简称正传波 和沿z负方向传播的波 简称反传 波 由下述耦合方程决定图2 1同轴布喇格结构纵向剖面图正弦波 纹同轴布喇格结构 1djjdNiiiikkkffG fz i 2 5 ikdjdNiiiikkffG fz j 2 6 式中 j 2ebk ziifA j 2ebk ziifA iA 为正传波及反传波的幅度 i i kb 2 为布喇格失配量 i是纵向波数 i是衰减常数 Gik和它的 共轭Gik 代表第i模式和第k模式之间的耦合系数 out n rin n rbpb poutlinloutRinR0a0bin out 批注 微软用户13 公式应用公式器 输入 公式应居中书写 公式的编号用圆括号括起放在公式右边行 末 公式与编号之间不加虚线 对于公式中的变量含义需要说明的 请在公式后的段落中 采用 式中A为某某 B为某某 的方式加以说明 A B等字符必须与公式 中的字体一致 如 公式中为斜体 则说明中也必须使用斜体 批注 微软用户14 文中图 表只用中文图题 表题 每幅插图应有 图序和图题 图序和图题应放在图位下方居中处 图序和图题一般 用黑体五号字 图的编号由 图 和阿拉伯数字组成 阿拉伯数字由前后两部分组 成 中间用 号分开 前部分数字表示图所在章的序号 后部分 数字表示图在该章的序号 例如 图2 3 图3 10 等 每个图号后面都必须有图题 图的 编号和图题要置于图下方的居中位置 三亚学院毕业论文 设计 第6页3带隙重叠现象的研究3 1过模工作 导致的带隙重叠现象正弦波纹同轴布喇格结构的纵向剖面结构如图3 1所示 其中开槽区域长度为L 内外导体波纹周期为pb 0a outl out 分别是外壁的平均半径 波纹幅度 波纹初始相位 0b in l in 则分别是内导体的平均半径 波纹幅度 波纹初始相位 同轴布喇格结构外壁半径Rout和内导体半径Rin随纵向位置z变化的 函数关系可以分别表示成out0outlout zcos bRak z 3 1 in0inin zcos bRblk z 3 2 其中2 bbkp 利用上述表达式 我们可以将表面光滑的导体可以看成波纹幅度为 零的特殊情况 b pbp0a0boutlin lin Rz zoutR图3 1正弦波纹开槽的同轴布喇格结构纵向剖面图近 似地来讲 同轴布喇格结构的本征频率以及横向尺寸都是关于模式 本征值的增函数 为了使器件便于加工及确保足够的功率容量 同轴布喇格结构的横 向尺寸必须足够大 当这种大尺寸的布喇格结构工作于THz频段时 我们往往采用具有较 大本征值的高阶模式作为工作模式 不失一般性 我们考虑一种典型的情况 即一个工作于TE6 1模式 0 35THz的同轴布喇格结构 该结构预计作为同轴布喇格谐振腔中的 反射器 这种高次模参数的选取允许该结构的外导体平均半径a0 10mm 内导 体平均半径为b0 7mm 毫无疑问 这种大尺寸的结构不但便于加工 而且还有利于高功率 自由电子脉塞的散热及电子束的输运 然而 在这种结构参数下 工作模式TE6 1的带隙批注 微软用户15 表题与图题黑体五号 三亚学院毕业论文 设计 第7页可能与其邻近模式如TM6 1 TE6 2 及TM6 2的带隙发生重叠 在这种情况下 如果这些相邻的寄生杂模获得了较高的反射率 它 们就有可能被激励而成为竞争模式 关于带隙重叠现象的具体实验研究西南交大的赖颖新博士已经在他 的论文里做了详细的论证 我们在这就用他的结论来继续研究 5 接下来我们将研究不同相位差对带隙重叠现象的影响 3 2相位差对带隙重叠现象的抑制如果能够在工作频率附近尽可能地 提高工作模式的反射率 同时降低相邻模式或者竞争模式的反射率 各个模式的带隙就有可能得到分离 通过第2章分析 我们知道相关模式之间的耦合强度不仅取决于这些 模式的布喇格失配参数而且还依赖于彼此之间的耦合系数 而耦合 系数的大小取决于内外导体波纹幅度以及初始的波纹相位 在此 我们试图在不改变波纹幅度的情况下通过调节初始波纹相位 差来改变反射系数的大小 首先 假定布喇格结构的内导体为均匀开正弦波纹槽的波导 其半 径a0 10mm b0 7mm lout lin 0 02mm 周期pb 0 43mm的正弦波纹 槽 布喇格结构的长度L 8 5621cm 图3 2给出了工作模式TE6 1及三个邻近模式TM6 1 TE6 2 TM6 2在 不同相位差时的带隙分布 可以看出 工作模式的带隙与邻近模式的带隙发生了重叠 在很宽 的一段频率范围内 0 346 0 355THz TM6 1模式是工作模式的主 要竞争模式 0 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 00 20 40 60 81 0Reflec tivityFrequency THz TE6 1TM6 1TE6 2TM6 2图3 2同轴布喇格结构 的内导体相位 in 0 in out 0 时的带隙分布三亚学院毕业论文 设计 第8页0 3350 34 00 3450 3500 3550 3600 3650 00 20 40 60 81 0ReflectivityFre quency THz TE6 1TM6 1TM6 2TE6 2图3 3同轴布喇格结构的内导体 相位差为 in 2 in out 2 时的带隙分布0 3350 3400 3450 3500 3550 3600 365 0 00 20 40 60 81 0Frequency THz ReflectivityTE6 1TM6 2TE6 2 TM6 1图3 4同轴布喇格结构的内导体相位差为 in in out 时的带隙分布图3 3给出了在其他所有开槽参数都保持不 变的情况下 将图3 2对应的布喇格结构内导体的初始波纹相位改为 2时的带隙分布 在这种情况下 内外导体波纹的相位差 in out 2 尽管工作模式获得了相对较高的反射率 其邻近模式TM6 1和TE6 2 在工作频率的附近的反射率仍然是不能忽略的 然而 当上述布喇格结构的内导体的初始波纹相位变为 in out 时 如图3 4三亚学院毕业论文 设计 第9页所示 带 隙的分布发生了戏剧性的改善工作模式的获得了90 的反射率 同时 其邻近模式TM6 1和TE6 2的反射率在工作频率附近变得微不足道 很明显 这个现象表明通过设置内外导体波纹的相位差 in out 能够有效地分离工作模式与其邻近模式的带隙重叠 同时 由于竞争模式的反射得到抑制 工作模式TE6 1有望在工作频率0 35 THz处实现单模工作 但是当相位差为 时对其带隙重叠的影响已经到了极限不能够再对 其进行分离 进一步研究发现对同轴布喇格结构加一定坡度能够对 带隙重叠现象有所抑制 下一章我们将着重研究坡度对带隙重叠现 象的影响 三亚学院毕业论文 设计 第10页4坡度对带隙重叠现象的抑制4 1 坡度开槽同轴布喇格结构的引入通常 普通同轴布喇格结构 6 是由 一段在同轴波导的金属内外壁上开周期性正弦或矩形波纹槽构成 在这种同轴布喇格结构中 内外导体波纹槽的轴线都平行于同轴布 喇格结构的对称轴 如图4 1所示 本文将研究内外导体波纹槽的轴线相对于同轴布喇格结构的对称轴 具有一定坡度的同轴布拉格结构 7 8 如图4 2所示 有两种形式对同轴布喇格结构的外导体壁和内导体壁加坡度 9 第一 种形式是外壁加正坡度角 内壁加负坡度角 其剖面结构图如图4 2 a 所示 称其为正圆锥形坡度 第二种形式是外壁加负坡度角 内壁加正坡度角 其剖面结构图如图4 2 b 所示 称其为倒圆锥形 坡度 内外壁倾斜的坡度角分别用out 和in 表示 在本文加坡度后的布喇格反射器中 其结构外半径outR和内半径inR 可分别表示成关于纵向z变化的函数关系为out0outoutoutout ztan cos Raz l k z 4 1 in0inininin ztan cos Rbz l k z 4 2 b pbp0a0boutlin lin Rz zoutR图4 1同轴布喇格结构的纵向剖面图三亚学院毕业论 文 设计 第11页 a b 图4 2具有坡度的同轴布喇格结构剖面图 a 正圆锥形坡度 b 倒圆锥形坡度4 2坡度对同轴布喇格结 构频率响应的影响回旋自谐振脉塞和自由电子激光振荡器中所采用 的布喇格谐振腔 由一段波导的两端分别连接两个布喇格反射器构 成 其工作原理是精心设计布喇格反射器参数 使反射器对于工作模式 工作频率的反射系数尽可能接近1 对于其它频率和其它模式的反射 系数尽可能小 这样 就可以在两个布喇格反射器之间的波导中 使工作模式以其工作频率形成驻波振荡 显然 布喇格反射器对工作模式 工作频率的响应范围越宽 就越 有利于预期电磁波的起振 因为实验已经证实当相位差inout 为 时 理论模拟结果和F ortan软件模拟结果吻合较好 而且此时所得到的反射率最大 接近 于1 带宽也最宽 因此 本论文接下来在用Fortan软件模拟分析同轴布喇格结构频率 响应时 往往对内外导体波纹槽相位差inout 时进行研究 以期达到软件模拟仿真的结果和理论值相统一 三亚学院毕业论文 设计 第12页表4 1同轴布喇格结构参数名称数 值中心频率 f 工作模式外壁平均半径 0 内导体平均半径 b 0 波纹幅度 lout lin 波纹周期 Pb 布喇格结构长度 L 0 3 5THz TE6 110 0mm7 00mm0 02mm0 43mm8 5621cm接下来我们就用表4 1中 的参数设计仿真模型 分析坡同轴布喇格结构中内外导体初始相位 差为 时不同的加坡度方式和加不同的坡度角对频率响应的影响 不仅同轴布喇格结构的内外导体初始相位差 开槽波纹深度 内外 壁波纹周期 开槽形状 波导长度对同轴布喇格结构频率响应的特 性有明显的影响 在坡度同轴布喇格结构中 不同的加坡度方式和 加不同的坡度角对频率响应也有很大的影响 9 一般来说 具有正圆锥形坡度的同轴布喇格结构的带宽随着所加坡 度角的增大而变窄 具有倒圆锥形坡度的同轴布喇格结构的带宽随 着所加坡度角的增大而变宽 3 353 403 453 503 553 603 650 00 20 40 60 81 0 out 0 20 in 0 20 out 0 10 in 0 10 out in 0ReflectivityFrequ ency G Hz 图4 3相位差inout 2时 正圆锥型不同坡度比较批注 微软用户16 表题与图题黑体五号 表中宋体五号 批注 微软用户17 每个表格应有自己的表序和表题 一般用黑体五 号字 表的编号方法同图的编号方法相同 例如 表1 6 表2 3 等 表的编号和表题要置于表上方的居中位置 如某个表需要转 页接排 在随后的各页上要重复表的编号 编号后跟表题 可省略 或跟 续 如表1 2 续 续表均要重复表的编排 三亚学院毕业论文 设计 第13页3 353 403 453 503 553 603 650 00 20 40 60 81 0 out 0 20 in 0 20 out 0 10 in 0 10 out in 0ReflectivityFreq uen cy G Hz 图4 4相位差inout 时 倒圆锥型不同坡度比较从图中 可明显看出 相对于一般的无坡度同轴布喇格结构 当对同轴布喇 格结构加正圆锥形坡度时 竞争模式TM6 2的带宽随着所加坡度角的 增大而变窄 并且其谐振频率点减少靠近工作模式TE6 1的谐振频率 点 当加倒圆锥形坡度时 竞争模式TM6 2的带宽随着所加坡度角的 增大而变宽 并且其谐振频率点变大远离工作模式TE6 1的谐振频率 点 但对于工作模式TE6 1 无论是正圆锥形坡度情况还是倒圆锥形 坡度情况 其带宽变化都很小 也即工作模式TE6 1的频率响应受坡 度影响较小 而且加倒圆锥形坡度时 工作模式和竞争模式之间的带隙重叠现象 得到了有效的抑制 三亚学院毕业论文 设计 第14页5窗函数消除残余旁瓣5 1窗函数 从以上的模拟仿真结果可以看到具有坡度的同轴布喇格结构的传输 系数和反射系数对频率的响应曲线 与圆柱布喇格结构和一般的无 坡度同轴布喇格结构类似 都存在比较严重的残余旁瓣现象 鉴于滤波器抑制边带的窗函数技术已经成功地用来抑制圆柱布喇格 反射器的残余旁瓣 10 和无坡度同轴布喇格反射器的残余旁瓣 我们 同样也可以采用加窗技术来抑制加新型坡度的同轴布喇格反射器的 残余旁瓣 residual side lobes 现象 11 设out0outoutoutout ztan cos Raz lW z kz 5 1 in0inininin ztan cos Rbz lW z kz 5 2 式中 W z为窗函数 常用的窗函数有汉宁 Hanning 窗 汉明 Hamming 窗 布拉克曼 Bl ackman 窗 5 1 1汉宁 Hanning 窗汉宁窗是升余弦窗的一种 是由余弦窗改进 而来 其时域表达式为12 1cos n0121NnW nRnNN 5 3 其频率响应的幅度函数为2 2 0 5 0 2 5 RRRWNN 5 4 其中 RW 为 n的傅立叶变换 NR由于汉宁窗的频谱是由三个互有频移的不同幅值的矩形窗函数相 加而成 这样使其旁瓣大大抵消 从而能量能够相当有效地集中在 主瓣内 主瓣宽度为NB 8 汉宁窗时域和频域波形图如图5 1所示 图5 1汉宁窗时域和频域波形三亚学院毕业论文 设计 第15页5 1 2汉明 Hamming 窗汉明窗是汉宁窗的改进型 可以得到旁瓣更小的 效果 其时域表达式为2 0 540 46cos 0n11NnW nRnNN 5 5 其频率响应的幅度函数为2 2 0 54 0 23 11RRRWNN 2 2 0 54 0 23 RRR NN 当N 1 5 6 这种改进的升余弦窗 能量更加集中在 主瓣中 主瓣的能量占99 963 第一旁瓣的峰值比主瓣小40dB 但 主瓣宽度与汉宁窗相同 即NB 8 汉明窗时域和频域波形图如图5 2所示 图5 2汉明窗时域和频域波形5 1 3布拉克曼 Blackman 窗为了进一 步抑制旁瓣 可再加上余弦的二次谐波分量 得到布拉克曼窗 其 时域表达式为2 4 0 420 5cos 0 08cos 0n111NnnW nRnNNN 5 7 其频谱的幅度函数为2 2 0 42 0 2 5 11RRRWNN 2 2 0 04 11RRWWNN 5 8 这样其幅度函数由五部分组成 它们都是移位不同 且幅度 也不同的 RW函数 使旁瓣在进一步抵消 阻带衰减进一步增加 这样可以得到更低的旁瓣 但主三亚学院毕 业论文 设计 第16页瓣宽度也得到加宽NB 12 布拉克曼窗时域和频域波形图如图5 3所示 图5 3布拉克曼窗时域和频域波形5 2加窗技术抑制残余旁瓣图5 4给 出了分别加载汉宁 Hanning 窗 汉明 Hamming 窗以及布拉克 曼 Blackman 窗的效果对比 结果显示加载三种窗后频率响应曲线的残余旁瓣得到有效抑制 而 且彼此差别不大 在此我们仅仅研究坡度开槽的同轴布喇格结构加 汉明窗的情况 0 540 46cos 2 z LWz 5 9 0 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 00 20 40 60 81 0residual side lobesresidual side lobesBlackmanHamningHammingTM61TE62TM62TE61ReflectivityFreq uency THz 图5 4分别加载汉宁 Hanning 窗函数 汉明 Hamming 窗函数 布拉克曼 Blackman 窗函数和不加窗的效果比较加窗 技术不仅可以提高布喇格反射器的性能 也可以减少仿真时间 因为用时域求解器求解时 傅立叶变换计算S参数要求时间信号完全 衰减到零 否则就会引入截断误差 而布喇格反射器是高谐振器件 时间信号中可能会出现谐振 这使 得三亚学院毕业论文 设计 第17页信号的衰减非常缓慢 需要很 长的仿真时间进行精确的傅立叶变换 而采用了加窗技术 在仿真 时 瞬态场衰减到一定程度就会被傅立叶变换正确的截断而不产生 很大的误差 又可以平滑通带 从图5 5可以看到 加窗后能量的衰减非常快 这样仿真所需要的时 间也大大的减小 024681012 120 100 80 60 40 200加汉明窗无窗场能量 dB时间 ns图5 5加窗后能量衰减比较图5 6 是正圆锥坡度 a 和倒圆锥坡度 b 结构在不同坡度角情况下 加载 汉明 Hamming 窗后的效果 结果进一步表明在新型加坡度方式下的同轴布喇格反射器 无论是 正圆锥还是倒圆锥坡度 窗函数技术都能有效抑制频率响应曲线的 残余旁瓣现象 0 3350 3400 3450 350Frequency THz 0 3550 3600 3650 00 20 40 60 81 0TM61TE62TM62TE61gradient0 10gradient0gradient0 20gr adient0 10gradient0gradient0 20Reflectivity a 三亚学院毕业 论文 设计 第18页0 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 00 2 0 40 60 81 0residual side lobesTM61TE62gradient0 20gradient0 20gradient0 10gradient0 10gradient0gradient0TM62TE61ReflectivityFrequency THz b 图 5 6加载汉明 Hammi ng 窗函数后改善了的反射系数频率响应曲线 a 正圆锥坡度 b 倒圆锥坡度三亚学院毕业论文 设计 第19页6结论据同轴布喇格 反射器多模耦合理论 应用Frotran软件理论编程模拟结果 新型加 坡度方式的坡度同轴布喇格反射器具有如下两个结论1 研究了以高 阶模工作于THz频段的正弦波纹同轴布喇格结构在不同开槽情况下带 隙分布特性 发现不论内外导体是否单独或者同时开槽 过模工作 的同轴布喇格结构均可能发生带隙的重叠 提出通过设置内外导体 波纹的坡度角和加坡度方式来对带隙的重叠进行有效地抑制 并研 究了在波纹幅度引入汉明分布后同轴布喇格结构的除残留旁瓣得到 了消除 2 正圆锥