高功率微波同轴阻抗变换器优化设计及功率计算.pdf

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1、!第!"卷!第#期强激光与粒子束$%&’!"!(%’#!!)**+年#月,-.,/0123456235(7/538-942:25;65<=’!)**+!文章编号!!!**!>#?))")**+#*#>*+@A>*+高功率微波同轴阻抗变换器优化设计及功率计算"陈依军!!叶君永!!黄卡玛"四川大学电子信息学院!四川成都A!**A##!!摘!要!!在高功率微波应用中!同轴线的阻抗匹配十分重要$通过同轴线内导体的渐变!可以实现阻抗变换与阻抗匹配$内导体渐变可以采用多项式%余弦%指数等函数形式$用时域有限差分方法计算同轴线的反射系数!以同轴线内导体渐变段的长度和反射系数达到最小为目标!采用遗传算

2、法优化渐变段的结构参数!得到了反射系数为*’*!+%渐变长度为!#@BB的同轴线阻抗变换结构$在一套具有!A节点的:C%DE&F型并行计算机系统上采用主从式并行计算技术完成了计算!缩短了遗传算法搜索时间$最后计算和分析了该同轴线阻抗变换结构的带宽和微波功率容量!该结构峰值功率达@’"?#;1$!!关键词!!同轴线&!遗传算法&!时域有限差分法&!阻抗变换器&!并行运算!!中图分类号!!8(A)#!!!!文献标识码!!5!!许多高功率微波源的输出部件具有低阻抗同轴线结构!这类低阻抗同轴结构与天线等其它部件相连时!往往要求将低阻抗变换为高阻抗$如何有效%简单地实现这种同轴结构阻抗变换是人们

3、研究的课题$常用的同’!!)(轴线阻抗变换器有直线渐变式和阶梯渐变式两种$但是这两种变换方式在结构上具有尺寸的突变!不利于器件在高功率条件下工作!所以在设计时需要考虑不连续性的影响与修正$本文提出了一种让内导体自然过渡到较细的结构的方法来设计阻抗变换器$’?(!!遗传算法".CGCHIJ5&K%=IHLB!简称.5#是美国密歇根大学,%&&MGN教授模拟生物进化方式而提出的一种搜索寻优算法!具有搜索效率高和能够全局寻优等特点$它的出现为解决同轴结构阻抗变换提供了新的’#(途径$O787"时域有限差分#特别适合于分析和计算三维复杂结构问题$本文结合了这两种算法的优点!采用O787计算同轴

4、阻抗变换器的反射系数!通过.5对反射系数和变换段的长度进行优化$同轴阻抗变换器设计的目的是追求较小的反射系数及较短的长度和具有较高的峰值功率!为了设计出满足这些条件的最佳结构!设计的基本思想是将内导体自然过渡到较细的结构!采用多项式!,C=BIH插值等方式描述内导体渐变!并且渐变部分一阶可导$在一套具有!A节点的:C%DE&F并行计算机系统上使用主从式并行计算技术完成了计算!缩短了遗传算法搜索时间$最后!根据在标准大气压下空气击穿公式计算了该阻抗变换器的微波峰值功率和带宽$为了验证计算的准确性!采用了有限元法对模型的反射系数进行检验!发现两种方法计算结果基本吻合$得到了反射小!渐变长度

5、短!峰值功率高的同轴结构$!!同轴线阻抗变换模型!!图!为计算模型!同轴结构中间介质是空气!外导体直径$为A*BB!内导体直径$为+*BB$渐变后内导体!)直径7为))BB$%!%!%是待定长?!R+BB)R#+BB?度!同轴结构的总长度是)?*BB!其中%!%!%的长度!)#对计算结果没有影响$工作频率是?.,S!阻抗由!!!变成A*!$"!数值计算方法"’!!内导体过渡结构OIK’!!!"#<&MGC%FJ%MPIM&QH=EJHE=C图!!同轴结构!"#平面图!!计算模型如图!所示$把图!中内导体变化的边界写"收稿日期!)**#>*+>!#&!!修订日期!)**#>!)>!#基金

6、项目!国家杰出青年科学基金资助课题"A*!)+!*)#作者简介!陈依军"!T@!)#!男!硕士研究生!主要研究方向为微波理论和电磁场数值计算&2>BMI&*JLCGUV*****"!A?’GCH$第0期陈依军等$高功率微波同轴阻抗变换器优化设计及功率计算,C@成!的函数"!#!!"#采用了以下几种处理函数$!!!多项式$%!#""$%"&%#!&%$!&%%!式中$%#%#%#%是常数%"#$%!!"&’()*+插值’&"!!(!"’"++!!"(),$!!"!$""$’(#!)"$"*&$**($"*,****$#式中$"#!是第*个插值点在图#中的坐标#"+是第*个插值点对!的导数

7、%****’’,*!)"$!(!-*!,+!!"$##*#-$#!*(!--$#!*(!--$*-$*’,(!!#磨光函数是一类适应保凸性要求的曲线拟合函数#!/&#"!!."!!/#"$(.%$!!(0%".$"!!"$&!%"$!!/#""$/&#/&#("!!!!!!!!!!!!!!!!!%!或!!&($$式中$!!!!!!!/#!"$’/&#!(#"--!!#/#-"1/&#"!!!!!!其它)"-$"/！/&#("!!!!!!!!!!