微波孔缝线性耦合函数研究.pdfVIP

　第 15 卷 　第 11 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 15 ,No. 11 　 　2003 年 11 月 HIGH POWER LASER AND PARTICL E BEAMS Nov. ,2003 　 文章编号 : (2003) 微波孔缝线性耦合函数研究 1 ,2 1 1 王建国 , 　刘国治 , 　周金山 ( 1. 西北核技术研究所, 陕西 西安 710024 ;2 . 西安电子科技大学 物理系, 陕西 西安 710071) 　　摘 　要 : 　讨论了微波脉冲通过孔缝线性耦合进入腔体内的研究方法 。给出了线性耦合的物理基础 ,定义 了耦合函数 ,并导出了耦合函数随入射电场极化方向变化的公式。简要描述了数值求解孔缝线性耦合的时域 有限差分方法以及修正算法。给出了以矢量网络分析仪 HP8510C 为主要设备测量耦合函数的实验方法。通 过耦合函数的研究 ,观察到了共振效应和增强效应等现象 ,给出了微波孔缝耦合发生共振的普适公式。分析了 测量探头对耦合函数测量的影响 ,验证了耦合函数随入射电场方向变化的公式。理论、数值和实验结果符合得 较好。 　　关键词 : 　微波脉冲 ; 　线性耦合 ; 　耦合函数 ; 　时域有限差分 ; 　孔缝 ; 　共振效应 ; 　增强效应 　　中图分类号 : 　TN822. 8 ; TN813 　　　　文献标识码 : 　A ( ) ( ) 　　目前 ,瞬态电磁脉冲源发展很快 ,例如快上升沿电磁脉冲 FREMP 发生器、超宽带 UWB 微波源、相对论 微波器件等 ,因此 ,微波孔缝瞬态耦合研究在许多微波工程和电磁兼容等方面有着重要的意义。 　　微波脉冲孔缝耦合的理论基础是麦克斯韦方程组。如果微波强度低于孔缝所处环境大气的击穿阈值 ,则 可以不考虑麦克斯韦方程组中的电流项 ,在这种情况下 , 因为麦克斯韦方程组是线性的 ,所以定义微波孔缝耦 合过程为线性耦合[1～5 ] 。反之 ,当微波强度高于孔缝所处环境大气的击穿阈值时 , 由于大气电离产生电流,则 必须考虑麦克斯韦方程组中的电流项 ,在这种情况下 ,因为大气电离过程是电场的函数 , 即电流项是电场的函 数 ,因而麦克斯韦方程组是非线性的 ,所以 ,定义微波孔缝耦合过程为非线性耦合[3 ,6 ,7 ] 。过去 ,在微波孔缝线 性和非线性耦合方面已做了大量的理论、数值和实验研究[1～8 ] 。在理论方面 ,主要应用电磁场麦克斯韦方程 组和电子流体方程组途径[2 ,5～7 ] 。在数值模拟方面 , 由于被研究的问题是瞬态电磁场问题, 因此 ,通常选用时 ( ) [2 ,3 ] 域有限差分 FD TD 方法 。当孔缝的宽度很窄时 , 由于受计算机内存的限制,采用面阻抗概念修正传统 FD TD 算法 ,使之在不增加计算机内存的条件下能模拟孔缝宽度比一个 FD TD 网格小得多的耦合过程[3 ] 。另 外 ,实验研究也验证了理论和数值模拟结果[3 ] 。通过研究 ,得出了微波孔缝耦合的共振效应、增强效应、场分 布等许多规律。但是 ,仔细地分析会发现 :在这些规律中 ,只有共振效应能表征耦合孔的特征 ,虽然其它规律也 在不同程度上反映了耦合孔和腔体的性质 ,但是 ,它们并不能明确表征耦合孔和腔体的特性。换句话说 ,增强 效应和场分布等规律依赖于入射场。为了便于工程应用 ,必须找到一种对入射场归一化的物理量 ,即这是一个 表征耦合孔和腔体的特征量 ,与入射场无关。本文定义这个物理量为耦合函数 ,并用理论、数值和实验三种方 法研究孔缝耦合函数。 1 　孔缝耦合的理论基础