Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7351
Dreidimensionale Feldberechnung für elektrisch große
Geometrien und ihre Anwendung für multifrequente Hochleistungsgyrotrons
Hansjörg Oliver Prinz
Zusammenfassung
Für die Heizung von
Kernfusionsplasmen werden Millimeterwellenquellen hoher Leistung, sogenannte
Gyrotrons, am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt. Mit Gyrotrons können
Leistungen bis in den Megawatt-Bereich bei Frequenzen von wenigen Gigahertz bis
hin zu mehreren hundert Gigahertz erzeugt werden. Bei Hochleistungsgyrotrons
wird die Hochfrequenz mit einem internen quasi-optischen Wellentypwandler stark
gebündelt und als Mikrowellenstrahl ausgekoppelt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der
Simulation der bezogen auf die Wellenlänge großen quasi-optischen
Wellentypwandler. Für eine schnelle Simulation werden im Hohlleiter die Methode
der gekoppelten Moden und im Freiraum die Propagation mit dem Kirchhoff'schen
Beugungsintegral verwendet. Um Näherungen bei der Simulation zu umgehen und
somit die Genauigkeit zu steigern, wurde eine dreidimensionale
Simulationsmethode, basierend auf der elektrischen Feldintegralgleichung,
entwickelt. Die Leistungsfähigkeit dieser Methode wird anhand der Analyse des
quasi-optischen Wellentypwandlers eines 118 GHz TE22,6-Gyrotrons
veranschaulicht.
Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt
auf der Optimierung eines breitbandigen quasi-optischen Wellentypwandlers im
Frequenzbereich zwischen 105 GHz und 143 GHz. Die Optimierung wird numerisch
mit den bereits oben erwähnten schnellen Simulationsmethoden durchgeführt.
Neben einem möglichst hohen Anteil der Gauß'schen Grundmode im Ausgangsstrahl
für jede Frequenz wurde der Wellentypwandler auf ein Brewsterfenster angepasst.
Dieses ermöglicht die frequenzunabhängige Transmission der Leistung zur Last,
aber verkleinert die nutzbare Apertur bezogen auf ein Monofrequenzfenster.
Durch die Optimierung konnte die Streustrahlung je nach Resonatormode auf zwei bis
drei Prozent bei einem Anteil der Gauß'schen Grundmode von mehr als 90%
reduziert werden.
Diese Arbeit wurde im Rahmen einer
Dissertation an der Universität Karlsruhe (TH) am Institut für
Hochleistungsimpuls-und Mikrowellentechnik des Forschungszentrum Karlsruhe
durchgeführt.
Three-Dimensional Field Calculation for Electrically Large
Geometries and its Application for Multi-Frequency High-Power Gyrotrons
Abstract
At the Research Center Karlsruhe (Forschungszentrum Karlsruhe)
high-power millimeter wave sources, so called gyrotrons, are developed.
Gyrotrons generate radio frequency (RF) in the frequency range of a few
gigahertz up to a couple of hundred gigahertz at power levels up to megawatts.
The RF-output coupling is done by an internal quasi-optical mode converter. It
focuses the millimeter waves to a pencil like beam.
This report deals with the simulation of quasi-optical mode converters,
which are large compared to the wavelength. For a fast simulation inside the
waveguide the method of coupled modes is used and in free space the propagation
is done by the Kirchhoff diffraction integral. To avoid approximations and to
enhance accuracy a three-dimensional simulation method based on the electric
field integral equation (EFIE) was developed. The performance of this method
will be shown with an analysis of a quasi-optical mode converter of a 118 GHz
TE22,6-gyrotron.
The second focus of this work is the optimization of a broadband
quasi-optical mode converter in the frequency range of 105 GHz to 143 GHz. The
optimization was done with the fast simulation methods, which were mentioned
above. Beside a high Gaussian mode content of the output beam for every
frequency, the mode converter was optimized for a Brewster angle window. A
Brewster window has no dependency on the frequency for the transmitted wave
beam, but the useable aperture of the window is much smaller than for a
mono-frequent window. By optimization the stray radiation could be reduced to
two to three percent depending on the cavity mode with a Gaussian mode content
of more than 90%.
The work is based on a dissertation which was done at the Institut für
Hochleistungsimpuls-und Mikrowellentechnik at the Forschungszentrum Karlsruhe
and accepted by the University of Karlsruhe (TH), Germany.
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