автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Алгоритмы и программные средства для реконструкции и синтеза пространственных структур СВЧ-полей

РГ6 од

- 5 ИЮН 1995

На правах рукописи

ЧИРКОВ Алексей Васильевич

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ И СИНТЕЗА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР СВЧ-ПОЛЕЙ

05.13.16 — применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 1995

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Н.Новгород.

Научные руководители: кандидат технических наук, с.н.с

Ю.К. Постоенко

кандидат физико-математических наук, с.н.с Г. Г. Денисов..

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.В. Крылов

кандидат физико-математических наук, с.н.с В.И. Турчин

Ведущее предприятие: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита состоится " 1995г. в часов на заседании

специализированного совета К003.38.02 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул.Ульянова, 46). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН. Автореферат разослан 1995г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук л/ ____А.Г. Лучинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последние десятилетия отмечены интенсивным развитием электроники больших мощностей и прежде всего технологий, связанных с проектированием и производством гиротронов.

Гиротроны являются наиболее мощными источниками когерентного излучения миллиметрового диапазона длин волн. Выходная мощность гиротронов достигает 1 МВт при длительности импульса в несколько секунд. Эти качества обуславливают их широкое применение для электронно-циклотронного нагрева плазмы в экспериментах, проводимых в рамках программ по управляемому термоядерному синтезу, а также их использование в технологических процессах в качестве источников СВЧ излучения.

В связи с большой научно-технической важностью этих приборов актуальна задача разработки методов измерений и совершенствования технологии проектирования элементов их электродинамической системы.

Особенностью измерений структур полей гиротронов является го, что практически трудно создать опорный источник когерентного излучения с известным фазовым распределением для измерения фазы волнового пучка на выходе прибора. Подобная проблема с опорным эталонным каналом возникает и при так называемой "холодной" (на милливаттовом уровне мощности) диагностике элементов, перед их установкой в промышленные гиротроны. Поэтому важна разработка принципиально новых методов реконструкции фазы только по измерениям интенсивности полей.

Помимо диагностики полей актуальна задача совершенствования технологии проектирования элементов гиротонов, связанная с тем, что практическое применение приборов электроники больших мощностей требует увеличения мощности их выходного излучения при одновременном увеличении длительности импульса.

Поперечная структура рабочих волн гиротронов сложна, а для практических применений необходимы узконаправленные пучки с линейной поляризацией, как правило гауссовы, или волна НЕц для закрытых линий передачи излучения. Для использования и транспортировки излучения приборов электроники больших мощностей необходимы высокоэффективные квазиоптические преобразователи [1].

Классический преобразователь представляет собой сложную систему зеркал и призван решить следующие задачи: 1) Обеспечение вывода максимума излучения из гиротрона через вакуумный барьер-окно, так как диффракционные потери внутри

лампы снижают общую эффективность всего устройства и, главное, могут разрушить прибор.

2) Создание оптимального распределения поля на окне гиротрона -наиболее критичной с точки зрения тепловой нагрузки части прибора. Максимально плоские или кольцеобразные структуры поля на окне наиболее типичны для длинноимпульсных гиротронов большой мощности.

3) Обеспечение согласования выходного волнового пучка гиротрона с внешней линией передачи. Создание на выходе лампы гауссова волнового пучка или волны НЕц •

В принципе, решения этих задач противоречат друг другу. Например, плоское и кольцеобразное распределения поля на окне имеют малое содержание гауссовой компоненты. С другой стороны, гауссов волновой пучок на выходе гиротрона перегружает окно. Однако, компромисс может быть найден путем применения сложных зеркальных систем.

До недавнего времени проблема дизайна квазиоптических преобразователей решалась путем использования зеркал с квадратичной фазовой коррекцией. Такие зеркала не критичны к юстировке, однако, в этом случае коэффициент трансформации рабочей моды гиротрона в гауссов пучок не превышает 80%, и окно оказывается перегруженным.

Необходимо было разработать новый подход для комплексного решения задачи расчета квазиоптических преобразователей на основе процедуры синтеза систем сложнопрофильных зеркал, формирующих заданные распределения полей на окне, выходе гиротрона и обеспечивающих минимальные диффракционные потери внутри прибора.

Цепь настоящей работы состояла в создании методов, алгоритмов и программных средств :

- для реконструкции амплитудно-фазовой структуры полей по измерениям их интенсивности;

- для синтеза зеркал, формирующих заданное пространственное распределение поля, и их практического внедрения в квазиоптических преобразователях серийных промышленных гиротронов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля по измеренным распределениям интенсивности поля в нескольких поперечных распространению волнового пучка сечениях. Принципиальным преимуществом нового метода в сравнении с существующими методами является отсутствие

порного канала с известными характеристиками. Эффективность етода подтверждена экспериментально.

2. Разработан алгоритм быстрого- вычисления иффракционного интеграла Гюйгенса-Кирхгофа для итерационного ешения задач реконструкции и синтеза пространственных структур олей. Алгоритм предназначен для декартовых и цилиндрических истем координат и эффективно использует геометрию задачи.

3. Впервые на основе быстрого алгоритма реализован метод интеза заданных амплитудно-фазовых структур полей в гиротронном вазиоптическом преобразователе. Впервые сложнопрофильные :ркала применены в экспериментальных и серийных промышленных яротронах.

Практическая значимость.

1 АСНИ для исследования амлитудно-фазовых распределений :ВЧ полей в сочетании с пакетом программ параметризации ысокоэффективна при "холодном"-' на милливатговом уровне ющности - тестировании элементов СВЧ трактов и проведении аучных исследований в миллиметровом диапазоне.

2 Процедура пересчета полей по методу Гюйгенса-Кирхгофа вляется базовой для многих задач электродинамики, акустики, птики и т.д. Разработанный алгоритм быстрого вычисления иффракционного интеграла Гюйгенса-Кирхгофа предназначен для терационного решения задач реконструкции и синтеза ространственных структур полей и обеспечивает выигрыш в перациях комплексного умножения в 1604-570 раз для двумерных омплексных данных 171x171-=-343x343.

3. Метод полной трехмерной реконструкции поля по аспределениям интенсивности поля в двух-трех поперечных аспространению волнового пучка сечениях, базирующийся на ниверсальном принципе диффракции и реализованный в виде рограммного пакета, может быть применен для исследования труктуры полей в свободном пространстве, диагностики и еконструкции источников полей в различных прикладных областях.

4. Реализованный на основе быстрого алгоритма, метод интеза заданных структур полей с помощью ситемы линз или зеркал южет иметь широкие приложения в силу безразмерное™ и ниверсальности для решения прикладных задач в различных бластях.

5. Пакет программ для моделирования и синтеза полей в иротронном квазиоптическом преобразователе является ффективным средством для проектирования в реальном времени ложных рефлекторных систем. Пакет программ неоднократно

проверен на практике: с помощью него были спроектированы I изготовлены квазиоптические преобразователи для дву;

экспериментальных и четырех серийных промышленных гиротроно] 140 и 110 ГГц, измеренные структуры полей в которых хорош< согласуются с расчетными данными.

Использование результатов работы. Методы и программны* средства, созданные при выполнении диссертационной работы применялись для проектирования узлов приборов электроник! больших мощностей в ИПФ РАН, НПО "Салют" г. Нижню Новгород, НПО "Торий" г. Москва.

Апробация результатов работы. Материалы диссертацш докладывались на всесоюзном научном семинаре "Математическо< моделирование и применение явлений диффракции" (Москва 1990) на 17 международной конференции по инфракрасным I миллиметровым волнам (Пасадена, США, 1992), на 4 конференции Европейского космического агенства по развитию исследований I области элекгромащетизма (Нордвайк, Нидерланды, 1994), а также на научных семинарах ИПФ РАН.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит и; введения, двух глав и заключения. Объем диссертации составляет 166 страниц, включая 68 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 35 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 посвящена решению задачи реконструкции фазы поля с помощью опорного канала топографическим методом и методом измерения фазы на промежуточной частоте, а также, новому метод} реконструкции трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля пс двумерным распределениям интенсивности поля, измеренным е нескольких поперечных распространению волнового пучка сечениях.

В вводном разделе 1.1. описана автоматизированная система для амплитудно-фазовых измерений СВЧ полей милливатговогс уровня мощности, реализованная на основе IBM PC и средств КАМАК, и предназначенная для тестирования элементов приборов электроники больших мощностей. Также представлена подсистема для измерения фазы поля на промежуточной частоте.

В разделе 1.2. представлен шлографический метод фаздвых измерений. Приведены экспериментальные результаты измерения

фазы поля на частоте 140 ГГц с помощью опорного канала. Произведено сравнение топографического метода и метода измерения фазы на промежуточной частоте. Отмечаются преимущества и недостатки методов фазовых измерений при помощи опорного канала с известными характеристиками.

В разделе 1.3. предлагается новый метод реконструкции фазы по измеренным распределениям интенсивности поля в нескольких поперечных распространению волнового пучка сечениях. Отмечается важнейшее преимущество предлагаемого метода - исключение из измерений опорного канала и то, что кроме реконструкции фазы, предлагаемый метод позволяет осуществить полную реконструкцию трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля, и даже восстановить источник поля, который может быть недоступен для измерений.

В подразделе 1.3.1. описывается реализация предлагаемого метода на основе быстрого алгоритма вычисления диффракционного интеграла Гюйгенса-Кирхгофа. Также рассмотрены модификации метода для случая амплитудно-фазовой реконструкции поля по двум и трем поперечным распространению волнового пучка сечениям. Обсуждаются ограничения и условия реализуемости данного метода.

В подразделе 1.3.2. приведены результаты реконструкции амплитудно-фазовой структуры поля по измеренным экспериментально в милливатговом диапазоне мощности интенсивностям поля. В первом эксперименте на частоте 200 ГГц было проведено восстановление амплитуды и фазы источника по измеренным в зоне Френеля интенсивностям поля в трех поперечных сечениях (Рис.1). Во втором эксперименте на частоте 140 ГГц было проведено восстановление амплитуды и фазы источника поля по измерениям в двух поперечных сечениях.

В подразделе 1.3.3. приведены результаты реконструкции амплитудно-фазовой структуры поля по тепловизионным измерениям гиротронных волновых пучков. Для измерений был использован прототип гиротрона 140 ГГц. Было проведено восстановление амплитудно-фазовой структуры волнового пучка гиротрона по интенсивностям поля, измеренным в трех поперечных сечениях тучка.

В главе 2 описывается реализация на основе быстрого алгоритма метода синтеза фазовых корректоров, формирующих 5аданное поле, использование этой методики для проектирования высокоэффективных квазиоптических преобразователей и применение их в серийных промышленных гиротронах.

В разделе 2.1. ставится задача синтеза заданного амплитудно-базового распределения из исходного распределения с помощью :истемы двух фазовых Корректоров [2].

Рис.1. Пример реконструкции источника по амплитудным распределениям, измеренным в нескольких поперечных сечениях, частота 200 ГГц.

а)Амплитудные распределения, измерение на различных дистанциях.

б)Измеренная амплитуда источника (2=0 мм, размер источника 31x14мм).

в) Реконструированная амплитуда источника 2=0 мм; только амплитудные распределения на дистанциях 40, 86, 130 мм были использованы для реконструкции.

г),д) Реконструированная фаза источника.

Взаимная мощность распределений б) и в) составляет 96.4%.

В разделе 2.2. рассматривается реализация метода синтеза фазовых корректоров, формирующих заданное поле с помощью алгоритма быстрого вычисления диффракционных интегралов Гюйгенса-Кирхгофа, описанного в приложении 2. В качестве примеров, демонстрирующих возможности метода, приведены решения задачи деления волнового пучка с гауссовым распределением амплитуды на два и четыре волновых пучка также с гауссовыми распределениями амплитуд.

Раздел 2.3. посвящен применению методов синтеза заданных распределений • полей для расчета гиротронных квазиоптических преобразователей.

В подразделе 2.3.1. формулируются задачи, которые должен решать квазиоптический гиротронный преобразователь. Констатируется взаимоисключаемость решений отдельных проблем и отмечается то, что' комплексное решение нескольких задач возможно лишь при использовании систем синтезированных сложнопрофильных зеркал.

В подразделе 2.3.2. описана модель квазиоптического гиротронного преобразователя. На примере проектирования преобразователя для 140ГГц гиротрона приводятся структуры полей на зеркалах внутренней, находящейся под вакуумом, части преобразователя.

В подразделе 2.3.3. отмечается невозможность автоматизации поиска компромисса в решении комплекса проблем, поставленных при проектировании квазиоптического гиротронного преобразователя. Для гиротрона 140ГГц приведены результаты моделирования структур полей в преобразователе при оптимизации с использованием синтезированных сложнопрофильных зеркал. Отмечается, что с помощью оригинального программного обеспечения 'выбор компромиссного решения осуществляется пользователем в реальном времени. ~

Раздел 2.4. посвящен сравнению результатов моделирования и измерения полей в квазиоптическом гиротронном преобразователе.

Й подразделе 2.4.1. приведены результаты сравнения рассчитанных и измеренных интенсивностей полей для двух версий 140ГГц гиротрона: экспериментальной и промышленной. Отмечается высокий, свыше 95%, коэффициент взаимной мощности между рассчитанными и экспериментально измеренными интенсивностями полей в преобразователе.

В подразделе 2.4.2. приведены рассчитанные и измеренные структуры полей для 1 ЮГГц гиротрона. Коэффициент взаимной мощности между рассчитанными и экспериментально измеренными интенсивностями полей в преобразователе также достаточно высокий.

В приложении 1 решается задача параметризации амплитудно-фазовой структуры исследуемого поля. Приведены методы, позволяющие определить в восстановленном распределении поля содержание интересующей структуры поля, как правило распределения Эрмита-Гаусса.

В приложении 2 описывается алгоритм быстрого вычисления диффракционных интегралов Гюйгенса-Кирхгофа, разработанный для итерационных процедур одновременного восстановления фазовых фронтов в нескольких поперечных сечениях волнового пучка. Приводятся примеры вычисления диффракционных интегралов, демонстрирующие свойства предлагаемого алгоритма, а также, зависимости от числа точек выигрыша в операциях комплекснЬго умножения и тебуемой оперативной памяти.

В приложении 3 аналитически доказывается неоднозначность восстановления фазы по измерениям интенсивности в двух поперечных сечениях. Приводятся результаты численного моделирования, демонстрирующие эту неоднозначность. Указывается на возможность исключения неоднозначности при использовании трех поперечных сечений в процедуре реконструкции фазовых фронтов.

В приложении 4 описан алгоритм восстановления аналитичности синтезированной фазы, что необходимо для производства зеркала или линзы на станке с ЧПУ.

В приложении 5 рассмотрено приближение тонкой линзы при определении профиля квазиоптического зеркала по его фазе.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации и положения, выдвигаемые на защиту:

1. Разработана АСНИ на базе IBM PC для исследования амлитудно-фазовых распределений СВЧ полей. Для фазовых измерений реализован голографический метод и метод измерения фазы на промежуточной частоте.

2. Разработан пакет программ для параметризации двумерных структур полей, используемый при проектировании промышленных гиротронов.

3. Разработан алгоритм быстрого вычисления диффракционного интеграла Гюйгенса-Кирхгофа, предназначенный для итерационного решения задач реконструкции и синтеза пространственных структур полей.

4. Разработан, аналитически исследован и экспериментально подтвержден метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля по измеренным распределениям интенсивности поля в нескольких поперечных распространению волнового пучка сечениях. Созданное программное обеспечение предназначено для

ж

б)

в)

Рис.2. Синтез заданных структур полей в квазиоптическом преобразователе промышленного гиротрона 140 ГГц / 0.5МВт / 3 сек.

а) Профиль поворотного зеркала, повышающего гауссовость поля при одновременном уменьшении интенсивности на окне и диффракционных потерь внутри гиротрона. Размеры зеркала: 140x151x1.2 мм.

б) Измеренное распределение интенсивности поля на окне гиротрона.

в) Измеренное распределение интенсивности поля на дистанции 1570 мм от окна; содержание функции Гаусса составляет 95.6%.

реконструкции амплитудно-фазовой структуры электромагнитных полей различных диапазонов по экспериментальным данным.

5. С помощью метода синтеза, реализованного на основе быстрого алгоритма, рассчитаны сложнопрофильные зеркала, примененные в экспериментальных и серийных промышленных гиротронах :

• с одним синтезированным сложнопрофильным зеркалом (Рис.2):

- экспериментальная модель 140 Ггц/ НЕ^.б / 0-5 МВт/100 мсек/ диаметр окна гиротрона 80 мм;

- серийная промышленная модель 140 Ггц/ НЕ22.б/ 0.5 МВт/ 3 сек/ диаметр окна гиротрона 120 мм;

• с системой синтезированных сложнопрофильных зеркал:

- экспериментальная модель 110 Ггц/ НЕ)95 / 0.8 МВт/100 мсек/ диаметр окна гиротрона 140 мм;

- серийная промышленная модель 110 Ггц/ НЕ19.5 / 1 МВт/ 2 сек/ диаметр окна гиротрона 140 мм.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. Власов С.Н., Орлова И.М. Квазиоптический преобразователь волн волновода круглого сечения в узконаправленный волновой пучок. Изв. вузов. Радиофизика. - 1974.- Т.17, вып.1., С.148-154.

2. Каценеленбаум Б.З., Семенов В.В. Синтез фазовых корректоров, формирующих заданное поле. Радиотехника и электроника, №2, 1967, стр.244-252.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

[1] Виноградов Д.В., Денисов Г.Г., Чирков А.В. Аппроксимация волнового гауссова пучка суперпозицией конечного числа плоских волн. Тезисы докладов Всесоюзного научного семинара "Математическое моделирование и применение явлений фиффракции". М., 24-25 мая 1990, стр. 121-123.

[2] A:V. Chirkov, G.G. Denisov, M.Yu. Shmelyov, D.V. Vinogradov. Matching of the Frequency-Tunable Gyrotron to the Outer Mirror Waveguide. 17'th International Conference of Infrared and Millimeter Waves, USA, 1992, Conference Digest, pp. 348-519.

[3] Власов С.Н., Орлова И.М., Чирков А.В.', Шапиро М.А. Трансформация аксиально-симметричной волноводной моды в линейно поляризованный гауссов пучек посредством плавно изогнутого эллиптического волновода. Письма в ЖТФ, том 18, вып. 13, стр. 75-80, 1992.

[4] N.L. Aleksandrov, A.V. Chirkov, G.G. Denisov, D.V. Vinogradov, W. Kasparek, J. Preterebner, D. Wagner. Selective excitation of high-order modes in circular waveguiders. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 13, No. 9, pp. 1369-1385, 1992.

[5] A.V. Chirkov, G.G. Denisov, N.L. Aleksandrov. Reconstruction of 3D Amplitude-Phase Field Structure From 2D Amplitude Distributions Measured in a Few Cross Sections. CD-ROM : Proceedings of PIERS'94, ESA-ESTEC, Kluwer academic publishers , The Netherlands, 1994.

[6] A.V. Chirkov, G.G. Denisov, N.L. Aleksandrov. 2D Reflector Antennas Synthesis Based on Diffractional Integrals. Progress in Electromagnetics Research Symposium, ESA-ESTEC, The Netherlands, 1994, Abstracts, p. 447.

[7] A.V. Chirkov, G.G. Denisov, M.Yu. Shmelyov. Measurements of Amplitude and Phase Patterns in Quasi-Optical Wavebeams. Progress in Electromagnetics Research Symposium, ESA-ESTEC, The Netherlands, 1994, Abstracts, p. 207.

[8] A.A.Bogdashov, A.Y. Chirkov, G.G. Denisov, D.V. Vinogradov and A.N.Kuftin, V.I.Malygin, V.E.Zapevalov. Minor Synthesis for Gyrotron Quasi-Optical Mode converters. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 16, No. 4, 1995.

[9] A.V. Chirkov, G.G. Denisov, N.L. Aleksandrov. 3D wavebeam field reconstruction from intencity measurements in a few cross sections. Optics Communications, Vol. 115 (1995), pp. 449-452.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение.....................................................................................................4

Глава1. Методы реконструкции пространственных амплитудно-фазовых структур СВЧ полей по измеренным распределениям интенсивности.

1.1. Автоматизированная система для амлитудно-фазовых измерений СВЧ полей................................................................................................15

1.2. Голографический метод восстановления фазы...............................20

1.3 Реконструкция трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля

по амплитудным измерениям в нескольких поперечных сечениях.....33

1.3.1. Описание метода реконструкции..................................................35

1.3.2. Примеры' восстановления полей источников по экспериментальным данным...................................................................38

1.3.3. Реконструкция амплитудно-фазовой структуры поля по тепловизионным измерениям гиротронных волновых пучков.............58

Глава 2. Синтез заданных амплитудно-фазовых распределений СВЧ полей с помощью зеркал сложного профиля.

2.1. Постановка задачи синтеза...............................................................62

2.2. Реализация на основе быстрых алгоритмов метода синтеза фазовых корректоров, формирующих заданное поле............................69

2.3. Синтез систем зеркал гиротронных квазиоптических преобразователей....................................................................................76

2.3.1.Постановка задачи оптимизации параметров преобразователя...76

2.3.2. Модель квазиоптического гиротронного преобразователя.........80

2.3.3. Решение задачи оптимизации параметров преобразователя.......90

2.4. Применение систем сложнопрофильных зеркал в квазиоптических преобразователях для серийных промышленных гиротронов............105

2.4.1.ИОГГц гиротрон с синтезированным поворотным зеркалом...105

2.4.2. 110 ГГц гиротрон с системой синтезированных сложнопрофильных зеркал....................................................................106

Приложение!. Параметризация амплитудно-фазовых распределений

волновых пучков.....................................................................................117

Приложение2. Алгоритм быстрого вычисления диффракционных

интегралов Гюйгенса- Кирхгофа............................................................122

ПриложениеЗ. Неоднозначность восстановления фазы по амплитудным распределениям, измеренным в нескольких поперечных

сечениях волнового пучка.....................................................................132

Приложение4. Восстановление аналитичности синтезированной

фазы............................:............................................................................152

Приложение5. Приближение тонкой лин?ы при определении профиля квазиоптического зеркала по его фазе..................................................155

Заключение.............................................................................................157

Литература.

163