CN109980358B - 一种双频极化光栅的设计方法 - Google Patents

一种双频极化光栅的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波技术领域，具体公开了一种双频极化光栅的设计方法。该方法包括：1、根据加工的难度，以及A频率和B频率的极化光栅的周期可取值范围，合理选择光栅槽纹周期；2、通过扫描槽纹光栅深度寻找满足旋转角和椭圆率的相位差，从而确定A频率和B频率的线极化光栅和椭圆极化光栅的槽纹深度；3、A频率线极化光栅和B频率椭圆极化光栅的深度参数接近并共用一个极化光栅；A频率椭圆极化光栅和B频率线极化光栅的深度参数接近并共用另一个极化光栅，通过对上述两个极化光栅的深度参数优化即可获得满足A频率和B频率的双频极化光栅。该方法解决了两种频率微波进行任意极化的技术难题，保证双频回旋电子回旋系统能够快捷、高效的运行。

Description

一种双频极化光栅的设计方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种双频极化光栅的设计方法。
背景技术
在核聚变研究中，为了将等离子体加热到聚变反应所需的温度，通常需要采用多种加热手段，电子回旋共振加热是一种重要的等离子体加热手段。电子回旋波加热等离子体主要是微波与等离子体发生耦合，将微波能量传输给等离子体，从而加热等离子体。
电子回旋波和等离子体耦合效率与环向磁场、等离子体密度、微波入射角度和微波的极化特性有关。为了保证在实验中波与等离子体能够高效耦合，需要微波在传输到等离子体之前将微波的极化特性调整到理想的状态。通常在电子回旋加热系统中使用一个线极化光栅和一个椭圆极化光栅相结合来调节微波的极化特性。该双极化光栅通常要求能够对微波进行任意极化。
多频回旋管运行有利于提高电子回旋共振加热系统的灵活性，能够满足不同物理实验的需求，因此不少电子回旋系统都采用了双频回旋管。双频回旋管在运行过程中，为了能够保证波与等离子体能够高效的耦合，通常是针对该双频设计两组极化光栅来实现对微波的任意极化，但是两组极化光栅在微波频率进行切换的过程中，就需要更换相应频率的极化光栅，这个过程比较麻烦，因此需要一组双频极化光栅来满足在两种频率之间进行切换的时候不需要更换极化光栅。上述双频极化光栅需要满足能够对两种频率的微波都实现任意极化的技术要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双频极化光栅的设计方法，能够满对对两种频率的微波都实现任意的极化。
本发明的技术方案如下：一种双频极化光栅的设计方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、根据加工的难度，以及A频率和B频率的极化光栅的周期可取值范围，合理选择光栅槽纹周期；
步骤2、通过扫描槽纹光栅深度寻找满足旋转角和椭圆率的相位差，从而确定A频率和B频率的线极化光栅和椭圆极化光栅的槽纹深度；
步骤3、A频率线极化光栅和B频率椭圆极化光栅的深度参数接近并共用一个极化光栅；A频率椭圆极化光栅和B频率线极化光栅的深度参数接近并共用另一个极化光栅，通过对上述两个极化光栅的深度参数优化即可获得满足A频率和B频率的双频极化光栅。
所述的步骤1具体包括：
光栅槽纹为正弦函数，其主要由周期p和深度d所确定，其中周期p要求小于λ/(1+sinθcosФ)，其中，λ为入射波的波长，θ为入射波的入射角度，Ф是极化光栅的旋转角度；
根据加工的难度，以及综合A频率和B频率的极化光栅的周期可取值范围，合理选择光栅槽纹p；
槽纹的周期几乎不影响极化光栅的极化特性，选择较大的槽纹周期p，A频率和B频率的极化光栅的槽纹周期可设定为同一个值。
所述的步骤2具体包括：
线极化光栅要求旋转角α的取值为-90°≤α≤90°，而椭圆角β尽可能的小；对于椭圆极化光栅，要求椭圆角β的取值为-45°≤β≤45°；根据旋转角和椭圆率与相位差的关系，
tan2α＝tan2γcosδ
sin2β＝sin2γsinδ
其中：δ为相位差，γ为类TE模和类TM模的电场分量之间的夹角；
通过扫描槽纹光栅深度d寻找满足上述旋转角和椭圆角关系要求的相位差，从而确定A频率和B频率的线极化光栅和椭圆极化光栅的槽纹深度d。
所述的步骤2具体包括：
步骤2.1、根据线极化光栅和椭圆极化光栅对相位差的要求，分别确定A频率和B频率的单频率极化光栅参数槽纹周期和槽纹深度，椭圆极化光栅的参数槽纹周期和槽纹深度；
步骤2.2、A频率的线极化光栅和B频率的椭圆极化光栅公用一个极化光栅；A频率的椭圆极化光栅和B频率的线极化光栅共用一个极化光栅；
步骤2.3、对接近的两个槽纹深度参数，以一定的步长进行扫描，并通过最优参数获得两个不同的极化光栅。
所述的步骤2.1具体包括：
入射波和反射波之间的关系如下：
Figure GDA0003028738500000031
tan2α＝tan2γcosδ (2)
sin2β＝sin2γsinδ (3)
设入射波是一个线极化波，其电场为(Exi,Eyi)＝(1,0)，那么将其代入式(1)可得：
Figure GDA0003028738500000032
联合等式(2),式(3)和式(4)，可以得到γ的表达式为：
Figure GDA0003028738500000033
根据线极化器对于τ的取值要求；线极化要求旋转角α在-90°到90°之间变化，而椭圆角β的变化尽可能的小，因此要求
Figure GDA0003028738500000034
或δ≈nπ(n为整数)；将其代入式(5)中可知，
tan2 2ξcos2τ/2≈0 (6)
上式成立的条件是τ≈(2m+1)π(m为整数)；又因为τ的取值范围为[02π],因此τ的取值在π附近；
椭圆极化光栅对于τ的取值要求，对于椭圆极化光栅，要求β能够在-45°到45°之间变化，因此
Figure GDA0003028738500000035
且cos(2ξ)sin(τ/2)＝0(n为整数)，代入上式可知：
sin2(2ξ)sin2(τ/2)≈1/2
满足上式的条件为ξ＝(2n+1)π/4且τ≈(2m+1)π/2(n和m为整数)；由ξ的定义可知，当tanΦ＝±1/cosθ时，ξ＝(2n+1)π/4成立；又τ的取值范围为[0 2π]，因此对于椭圆极化光栅，要求在tanΦ＝±1/cosθ处τ的取值约为π/2或3π/2；根据线极化光栅和椭圆极化光栅对相位差的要求来确定A频率单频线极化光栅参数槽纹周期p1和槽纹深度dA1，椭圆极化光栅的参数槽纹周期pA2和槽纹深度dA2和dA3；B频率的单频线极化极化光栅参数槽纹周期pB1和槽纹深度dB1，椭圆极化光栅的参数槽纹周期pB2和槽纹深度dB2和dB3。
所述的步骤2.2具体包括：
A频率的线极化光栅的槽纹深度dA1与B频率的椭圆极化光栅的槽纹深度dB2接近，A频率的椭圆极化光栅的槽纹深度dA3与B频率的线极化光栅的槽纹深度dB1接近，因此A频率的线极化光栅和B频率的椭圆极化光栅可以共用一个极化光栅a，B频率的线极化光栅和A频率的椭圆极化光栅可以共用一个极化光栅b。
所述的步骤2.3具体包括：
对接近的两个槽纹深度参数，以一定的步长从dA1扫描到dB2和dA3扫描到dB1,最终会在扫描过程中发现最优参数da和db，即得到a极化光栅和b极化光栅深度参数，应用于A频率微波时a极化光栅为线极化光栅，b极化光栅为椭圆极化光栅；应用于B频率微波时b极化光栅为椭圆极化光栅，a极化光栅为线极化光栅。
所述的步骤3具体包括：
A频率线极化光栅和B频率椭圆极化光栅的深度参数接近可以共用一个极化光栅a，A频率椭圆极化光栅和B频率线极化光栅的深度参数接近可以共用一个极化光栅b，优化a极化光栅和b圆极化光栅的深度参数d即可得到满足于A频率和B频率的双频极化光栅。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种双频极化光栅的设计方法，能够高效可靠的设计一种满足要求的双频极化光栅，解决了两种频率微波进行任意极化的技术难题，保证双频回旋电子回旋系统能够快捷、高效的运行。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种双频极化光栅的设计方法，该方法适用于A频率和B频率相差在30～38之间，具体包括如下步骤：
步骤1、根据加工的难度，以及A频率和B频率的极化光栅的周期可取值范围，合理选择光栅槽纹周期；
光栅槽纹为正弦函数，其主要由周期p和深度d所确定，其中周期p要求小于λ/(1+sinθcosФ)，其中，λ为入射波的波长，θ为入射波的入射角度，Ф是极化光栅的旋转角度；
根据加工的难度，以及综合A频率和B频率的极化光栅的周期可取值范围，合理选择光栅槽纹p；
槽纹的周期几乎不影响极化光栅的极化特性，选择较大的槽纹周期p，A频率和B频率的极化光栅的槽纹周期可设定为同一个值；
步骤2、通过扫描槽纹光栅深度寻找满足旋转角和椭圆率的相位差，从而确定A频率和B频率的线极化光栅和椭圆极化光栅的槽纹深度；
线极化光栅要求旋转角α的取值为-90°≤α≤90°，而椭圆角β尽可能的小；对于椭圆极化光栅，要求椭圆角β的取值为-45°≤β≤45°；根据旋转角和椭圆率与相位差的关系，
tan2α＝tan2γcosδ
sin2β＝sin2γsinδ
其中：δ为相位差，γ为类TE模和类TM模的电场分量之间的夹角；
通过扫描槽纹光栅深度d寻找满足上述旋转角和椭圆角关系要求的相位差，从而确定A频率和B频率的线极化光栅和椭圆极化光栅的槽纹深度d；
步骤2.1、根据线极化光栅和椭圆极化光栅对相位差的要求，分别确定A频率和B频率的单频率极化光栅参数槽纹周期和槽纹深度，椭圆极化光栅的参数槽纹周期和槽纹深度；
入射波和反射波之间的关系如下：
Figure GDA0003028738500000051
tan2α＝tan2γcosδ (2)
sin2β＝sin2γsinδ (3)
设入射波是一个线极化波，其电场为(Exi,Eyi)＝(1,0)，那么将其代入式(1)可得：
Figure GDA0003028738500000061
联合等式(2),式(3)和式(4)，可以得到γ的表达式为：
Figure GDA0003028738500000062
根据线极化器对于τ的取值要求；线极化要求旋转角α在-90°到90°之间变化，而椭圆角β的变化尽可能的小，因此要求
Figure GDA0003028738500000063
或δ≈nπ(n为整数)；将其代入式(5)中可知，
tan2 2ξcos2τ/2≈0 (6)
上式成立的条件是τ≈(2m+1)π(m为整数)；又因为τ的取值范围为[0 2π],因此τ的取值在π附近；
椭圆极化光栅对于τ的取值要求，对于椭圆极化光栅，要求β能够在-45°到45°之间变化，因此
Figure GDA0003028738500000064
且cos(2ξ)sin(τ/2)＝0(n为整数)，代入上式可知：
sin2(2ξ)sin2(τ/2)≈1/2
满足上式的条件为ξ＝(2n+1)π/4且τ≈(2m+1)π/2(n和m为整数)；由ξ的定义可知，当tanΦ＝±1/cosθ时，ξ＝(2n+1)π/4成立；又τ的取值范围为[0 2π]，因此对于椭圆极化光栅，要求在tanΦ＝±1/cosθ处τ的取值约为π/2或3π/2；根据线极化光栅和椭圆极化光栅对相位差的要求来确定A频率单频线极化光栅参数槽纹周期p1和槽纹深度dA1，椭圆极化光栅的参数槽纹周期pA2和槽纹深度dA2和dA3；B频率的单频线极化极化光栅参数槽纹周期pB1和槽纹深度dB1，椭圆极化光栅的参数槽纹周期pB2和槽纹深度dB2和dB3；
步骤2.2、A频率的线极化光栅和B频率的椭圆极化光栅公用一个极化光栅；A频率的椭圆极化光栅和B频率的线极化光栅共用一个极化光栅；
A频率的线极化光栅的槽纹深度dA1与B频率的椭圆极化光栅的槽纹深度dB2接近，A频率的椭圆极化光栅的槽纹深度dA3与B频率的线极化光栅的槽纹深度dB1接近，因此A频率的线极化光栅和B频率的椭圆极化光栅可以共用一个极化光栅a，B频率的线极化光栅和A频率的椭圆极化光栅可以共用一个极化光栅b；
步骤2.3、对接近的两个槽纹深度参数，以一定的步长进行扫描，并通过最优参数获得两个不同的极化光栅；
对接近的两个槽纹深度参数，以一定的步长从dA1扫描到dB2和dA3扫描到dB1,最终会在扫描过程中发现最优参数da和db，即得到a极化光栅和b极化光栅深度参数，应用于A频率微波时a极化光栅为线极化光栅，b极化光栅为椭圆极化光栅；应用于B频率微波时b极化光栅为椭圆极化光栅，a极化光栅为线极化光栅；
步骤3、A频率线极化光栅和B频率椭圆极化光栅的深度参数接近并共用一个极化光栅；A频率椭圆极化光栅和B频率线极化光栅的深度参数接近并共用另一个极化光栅，通过对上述两个极化光栅的深度参数优化即可获得满足A频率和B频率的双频极化光栅；
A频率线极化光栅和B频率椭圆极化光栅的深度参数接近可以共用一个极化光栅a，A频率椭圆极化光栅和B频率线极化光栅的深度参数接近可以共用一个极化光栅b，优化a极化光栅和b圆极化光栅的深度参数d即可得到满足于A频率和B频率的双频极化光栅。

Claims (6)

1.一种双频极化光栅的设计方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤1、根据加工的难度，以及A频率和B频率的极化光栅的周期可取值范围，合理选择光栅槽纹周期；
光栅槽纹为正弦函数，其主要由周期p和深度d所确定，其中周期p要求小于λ/(1+sinθcosФ)，其中，λ为入射波的波长，θ为入射波的入射角度，Ф是极化光栅的旋转角度；
根据加工的难度，以及综合A频率和B频率的极化光栅的周期可取值范围，合理选择光栅槽纹p；
A频率和B频率的极化光栅的槽纹周期设定为同一个值；
步骤2、通过扫描槽纹光栅深度寻找满足旋转角和椭圆率的相位差，从而确定A频率和B频率的线极化光栅和椭圆极化光栅的槽纹深度；
步骤2.1、根据线极化光栅和椭圆极化光栅对相位差的要求，分别确定A频率和B频率的单频率极化光栅参数槽纹周期和槽纹深度，椭圆极化光栅的参数槽纹周期和槽纹深度；
步骤2.2、A频率的线极化光栅和B频率的椭圆极化光栅共用一个极化光栅；A频率的椭圆极化光栅和B频率的线极化光栅共用一个极化光栅；
步骤2.3、对接近的两个槽纹深度参数，以一定的步长进行扫描，并通过最优参数获得两个不同的极化光栅；
步骤3、A频率线极化光栅和B频率椭圆极化光栅的深度参数接近并共用一个极化光栅；A频率椭圆极化光栅和B频率线极化光栅的深度参数接近并共用另一个极化光栅，通过对上述两个极化光栅的深度参数优化即可获得满足A频率和B频率的双频极化光栅。
2.根据权利要求1所述的一种双频极化光栅的设计方法，其特征在于：所述的步骤2具体包括：
线极化光栅要求旋转角α的取值为-90°≤α≤90°，而椭圆角β尽可能的小；对于椭圆极化光栅，要求椭圆角β的取值为-45°≤β≤45°；根据旋转角和椭圆率与相位差的关系，
tan2α＝tan2γcosδ
sin2β＝sin2γsinδ
其中：δ为相位差，γ为类TE模和类TM模的电场分量之间的夹角；
通过扫描槽纹光栅深度d寻找满足上述旋转角和椭圆角关系要求的相位差，从而确定A频率和B频率的线极化光栅和椭圆极化光栅的槽纹深度d。
3.根据权利要求1所述的一种双频极化光栅的设计方法，其特征在于：所述的步骤2.1具体包括：
入射波和反射波之间的关系如下：
Figure FDA0003028738490000021
tan2α＝tan2γcosδ (2)
sin2β＝sin2γsinδ (3)
设入射波是一个线极化波，其电场为(Exi,Eyi)＝(1,0)，那么将其代入式(1)可得：
Figure FDA0003028738490000022
联合等式(2),式(3)和式(4)，可以得到γ的表达式为：
Figure FDA0003028738490000023
根据线极化器对于τ的取值要求；线极化要求旋转角α在-90°到90°之间变化，而椭圆角β的变化尽可能的小，因此要求
Figure FDA0003028738490000024
或δ≈nπ(n为整数)；将其代入式(5)中可知，
tan2(2ξ)cos2(τ/2)≈0 (6)
上式成立的条件是τ≈(2m+1)π(m为整数)；又因为τ的取值范围为[0 2π],因此τ的取值在π附近；
椭圆极化光栅对于τ的取值要求，对于椭圆极化光栅，要求β能够在-45°到45°之间变化，因此
Figure FDA0003028738490000031
且cos(2ξ)sin(τ/2)＝0(n为整数)，代入上式可知：
sin2(2ξ)sin2(τ/2)≈1/2
满足上式的条件为ξ＝(2n+1)π/4且τ≈(2m+1)π/2(n和m为整数)；由ξ的定义可知，当tanΦ＝±1/cosθ时，ξ＝(2n+1)π/4成立；又τ的取值范围为[0 2π]，因此对于椭圆极化光栅，要求在tanΦ＝±1/cosθ处τ的取值约为π/2或3π/2；根据线极化光栅和椭圆极化光栅对相位差的要求来确定A频率单频线极化光栅参数槽纹周期p1和槽纹深度dA1，椭圆极化光栅的参数槽纹周期pA2和槽纹深度dA2和dA3；B频率的单频线极化光栅参数槽纹周期pB1和槽纹深度dB1，椭圆极化光栅的参数槽纹周期pB2和槽纹深度dB2和dB3。
4.根据权利要求1所述的一种双频极化光栅的设计方法，其特征在于：所述的步骤2.2具体包括：
A频率的线极化光栅的槽纹深度dA1与B频率的椭圆极化光栅的槽纹深度dB2接近，A频率的椭圆极化光栅的槽纹深度dA3与B频率的线极化光栅的槽纹深度dB1接近，因此A频率的线极化光栅和B频率的椭圆极化光栅共用一个极化光栅a，B频率的线极化光栅和A频率的椭圆极化光栅共用一个极化光栅b。
5.根据权利要求1所述的一种双频极化光栅的设计方法，其特征在于：所述的步骤2.3具体包括：
对接近的两个槽纹深度参数，以一定的步长从dA1扫描到dB2和dA3扫描到dB1,最终会在扫描过程中发现最优参数da和db，即得到a极化光栅和b极化光栅深度参数，应用于A频率微波时a极化光栅为线极化光栅，b极化光栅为椭圆极化光栅；应用于B频率微波时b极化光栅为椭圆极化光栅，a极化光栅为线极化光栅。
6.根据权利要求1所述的一种双频极化光栅的设计方法，其特征在于：所述的步骤3具体包括：
A频率线极化光栅和B频率椭圆极化光栅的深度参数接近共用一个极化光栅a，A频率椭圆极化光栅和B频率线极化光栅的深度参数接近共用一个极化光栅b，优化a极化光栅和b圆极化光栅的深度参数d即可得到满足于A频率和B频率的双频极化光栅。
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