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《电子科技大学》 2004年
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行波管电子光学系统CAD技术研究

廖平  
【摘要】:行波管是一种高增益的宽带微波/毫米波功率放大器件,广泛用于数据通信、 电子对抗、预警飞机、火控雷达、精密制导,在现代军事电子装备中显示出不可 取代的重要作用。行波管的研制涉及到电子光学、磁学、阴极电子学、微波电子 学、电磁场理论、材料学、机械与热分析诸多学科,工艺过程十分复杂。计算机 技术的发展与应用,极大地促进了行波管技术的进步。同时,提高行波管的设计 能力,缩短开发周期,减少整管硬件实验,改善行波管性能,固化已有经验,也 愈来愈离不开电子计算机,CAD 已经成为行波管研制的主要手段。 本学位论文工作在总装备部军事电子预研“九五”重点项目“宽带大功率行 波管 CAD 软件包研究”和总装备部军事电子预研“十五”重点项目“微波管 CAD 设计技术研究”的资助下,对行波管电子光学系统进行了全面和深入的研究。将 粒子模拟方法引入到电子光学系统的分析研究中,使用全三维电磁软件 MAFIA 建立了行波管电子光学全系统的三维静电 PIC 模型。按照软件工程方法学方法, 结合面向对象技术的最新发展以及行波管电子光学基本物理模型,开发了行波管 电子光学系统 CAD 软件并集成进“宽带大功率行波管 CAD 软件包”中,为电子 光学系统的设计和优化奠定了基础。 本论文的主要工作和创新之处在于: 1、研究了强流电子光学问题的基本方程组和数值求解方法。对旋转轴对称系 统轴坐标系下的静电场、静磁场物理模型和物理方程,考虑空间电荷效应和相对 论效应的电子运动方程和轨迹方程进行了深入分析。讨论了静态场的有限元和有 限差分数值分析方法以及电子运动方程、轨迹方程、空间电荷密度的数学模型和 数值解法。采用直接的矢量表示推导相对论电子运动方程比 EGUN 中通过线性方 程组求解的方法更简化明了,二者在结果上是一致的。这些内容为行波管电子光 学系统和 CAD 软件的研制奠定了理论基础。 2、从电子光学系统的观点出发系统深入分析了行波管电子枪、周期永磁聚焦 系统和多级降压收集极。研究了在空间电荷效应及发射电子热初速影响下发射电 流在极间的流通规律,采用同时考虑空间电荷效应和热初速效应的 Langmuir 二极 管模型对 3/2 次方定律进行了修正。分析了阴极电子初始热速度对电子注成形和 电子注质量的影响以及栅控电子枪的设计问题。对于周期永磁聚焦系统研究了其 结构和场分布以及小波动条件下电子注在 PPM 中的波动规律。对于收集极研究了 多级降压收集极工作原理,收集极效率,二次电子对收集极的影响以及抑制二次 电子发射的方法。为电子光学系统的 PIC 模拟分析打下了基础。 I WP=10 中文摘要 3、论文深入分析了以 EGUN 为代表的传统电子轨迹程序模拟电子光学系统 的模拟方法和设计实现思想,指出了该方法存在的不足和缺陷。将粒子模拟方法 引入到电子光学系统的分析研究中,建立了包括行波管电子枪、周期永磁聚焦系 统和多级降压收集极在内的全系统 3-D 静电 PIC 模型,实现了电子从发射、成形、 聚焦(传输)到收集全过程的模拟计算。 4、电子枪模拟的关键在于如何以适当的方法从阴极发射电子,论文采用阴极 等效温度和离散化发射角和能量级建立了阴极热电子发射模型,实现了电子枪的 精确模拟。大量模拟计算表明该方法较其他电子轨迹程序相比,能够更准确地确 定电子注的外形尺寸,包括电子注出口参数(射程和注腰),从而为磁聚焦系统的 设计和模拟提供精确的初始条件。 5、论文模拟了周期永磁聚焦系统中的场分布特性和电子注静态传输特性,讨 论了磁场强度、磁场端部效应、横向速度分布和“过渡区”匹配对电子注聚焦性 能的影响,为 PPM 聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。 6、多级降压收集极效率是制约整管效率提高的重要因素,引起了各制管单位 的高度重视。论文分析了传统二维轨迹程序在模拟非轴对称收集极、电子注入条 件和模拟精度方面存在局限,提出了 MAFIA+大信号分析软件对多级降压收集极 进行全三维动态 PIC 模拟的方法和收集极效率简化计算公式,模拟实例表明该方 法与实验结果吻合较好,为我们深入分析收集极物理机理,研究影响收集极效率 提高的制约因素以及改进和优化收集极设计提供了新的途径。 7、论文提出了建立包括电子枪、周期永磁聚焦系统在内的一体化电子光学模 型,使用 PIC 模拟研究电子注在整管中的静态传输性能的方法。该方法可以减少 模拟中的假设和近似,有效缩短模拟时间,提高模拟精度,为实现行波管电子光 学系统“一次设计制管成功”提供了新的方法。 8、论文系统地运用面向对象建模技术、科学计算可视化方法和软件工程学思 想开发了行波管电子光学系统 CAD 软件,可实现从电子枪、周期永磁聚焦系统 到多级降压收集极的全面模拟和设计。系统总计 18 000 行 Visual C+ +源代码,运 行于 Windows 操作系统,支持普通微机和工作站。具有人机界面友好,计算精度 高,操作使用简单,计算过程实时动态显示和结果可视化的特点。 9、论文根据有限元系数矩阵特征采用等带宽数据压缩存取技术实现了有限元 数据的高效压缩和快速存取。结合电子枪计算域结构特点和有限元网格划分原则 开发了四边形有
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN124

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 王林梅;甘邠;袁涛;高旭山;王磊;王敬东;张明;;行波管周期永磁聚焦系统结构优化设计[J];磁性材料及器件;2012年05期
2 吴初锚;吕国强;杨军;;多注行波管周期永磁聚焦系统[J];强激光与粒子束;2008年03期
3 马亚林;陈建新;;行波管电子枪改进及过渡区磁场设计的模拟计算[J];微波学报;2011年05期
4 杨中海,黄桃,李斌,朱小芳,廖莉,肖礼,胡权,姚列明,曾葆青;行波管电子光学系统CAD技术进展[J];真空电子技术;2004年03期
5 吴初锚;吕国强;杨军;;多注周期永磁聚焦系统横向磁场的研究[J];真空电子技术;2008年01期
6 潘明明;吕国强;杨军;谢松廷;;多注行波管收集极的设计与模拟[J];真空电子技术;2008年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 秦钰昆;杨中海;黄桃;胡权;金勇兵;杨德欣;;行波管CAD电子光学系统一体化计算[A];第九届真空技术应用学术年会论文集[C];2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 彭斓;微波管电磁聚焦系统CAD技术[D];电子科技大学;2011年
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5 潘明明;多注行波管中多级降压收集极的模拟设计[D];合肥工业大学;2008年
6 吴长福;微波管周期永磁聚焦系统CAD软件研究[D];电子科技大学;2010年
7 龚海华;大平均功率耦合腔行波管慢波系统的散热设计[D];电子科技大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 夏善红,刘加,陈绍凤,韩泾鸿,崔大付;新型真空微电子压力传感器特性研究和实验制作[J];半导体学报;1997年12期
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1 常丽娟;刘浩宇;田歌;;基于推进波前法和Delaunay三角法相结合的网格划分方法的研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
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3 胡少伟;曾桂香;沈捷;;车架故障诊断中模态测试技术应用研究[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
4 徐辰;赵东;张建中;;太阳翼振动模拟墙静力特性的有限元分析[A];力学与工程应用(第十三卷)[C];2010年
5 刘岩;关振群;张洪武;张占群;;面向大规模科学计算的三维Delaunay快速插点算法[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
6 钟立松;王彩育;王贤友;;互作用空间磁场分布对微波炉用磁控管EMI性能的影响[A];“第十四届全国微波能应用学术会议”暨“2009年微波创造美的生活高峰论坛”论文集[C];2009年
7 赵晓云;李家胤;汪海洋;;微波回旋波整流器高频结构中的频率漂移研究[A];“第十四届全国微波能应用学术会议”暨“2009年微波创造美的生活高峰论坛”论文集[C];2009年
8 赵晓云;李家胤;汪海洋;李浩;;高功率回旋波整流器最大输出功率的研究[A];“第十四届全国微波能应用学术会议”暨“2009年微波创造美的生活高峰论坛”论文集[C];2009年
9 李军;周月琴;;可视化技术在遥感图像处理系统中的应用[A];信息科学与微电子技术:中国科协第三届青年学术年会论文集[C];1998年
10 梅杰;于明俭;刘宝旭;郑鹏;许榕生;;Internet信息安全系统的组合模型[A];信息科学与微电子技术:中国科协第三届青年学术年会论文集[C];1998年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 华岗;地震体数据可视化与分析研究[D];浙江大学;2011年
2 何俊;毫米波新型曲折波导行波管的研究[D];电子科技大学;2010年
3 赵晓云;基于回旋谐振机制的特殊电真空器件研究[D];电子科技大学;2011年
4 王战亮;带状电子注的形成,传输与应用研究[D];电子科技大学;2010年
5 陈蓓冉;同轴型准光腔短毫米波辐射源的研究[D];电子科技大学;2010年
6 晁冰;基于支持向量机的软件可靠性模型分类及失效分析[D];武汉大学;2010年
7 聂勇;新型可编程电液比例控制器关键技术研究[D];浙江大学;2010年
8 殷毅;折叠型双脉冲—长脉冲调制器及其激光触发技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
9 江雯倩;交互式协同空间天气数值模拟框架及可视化研究[D];中国地质大学(北京);2011年
10 余天明;激光拼焊板制车门成形和刚度的数值仿真与试验研究[D];吉林大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 万瑞芸;小型潘宁离子源中子管离子光学系统的研究[D];中国工程物理研究院;2009年
2 刘霞;圆柱直齿轮精锻成形工艺试验及数值模拟研究[D];南昌航空大学;2010年
3 王亚楠;基于光线投射算法的CT图像三维重建与分割剪取[D];山东科技大学;2010年
4 李鹏;磁悬浮风力发电机转子系统的研究[D];山东科技大学;2010年
5 郑珊珊;带流量稳定器的先导式比例减压阀设计研究与特性分析[D];山东科技大学;2010年
6 赵奇;医学超声图像三维重建算法研究[D];山东科技大学;2010年
7 孔维峰;汽车水泵总成的动态特性研究[D];郑州大学;2010年
8 丁豹;斜齿轮系统振动特性研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 王洪侠;虚拟内窥镜的路径规划问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 曹艳萍;船舶滑道拖拉滑移下水上滑板连接方式研究[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈鸽;不同铁芯材料在螺线管中磁场变化的应用研究[J];安徽科技;2004年06期
2 房蔓楠,魏福玉,陈昕;螺线管磁场分布特征及应用[J];长春邮电学院学报;1994年02期
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5 童伟雄;利用磁矢势A画出轴对称分布的磁感线[J];大学物理;1996年04期
6 吴海东;新型真空器件在武器装备中的应用[J];电子产品可靠性与环境试验;2004年04期
7 任渠江,廖复疆,黄福金;行波管多级降压收集极的计算和实验研究[J];电子器件;1999年03期
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 吴迅雷;微波管中永磁结构的研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2002年
2 段兆云;螺旋线行波管中物理问题的研究[D];电子科技大学;2004年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 文革利;等离子体辅助的慢波结构振荡器的粒子模拟以及优化设计[D];电子科技大学;2000年
2 高迅鸿;行波管多级降压收集极CAD技术研究[D];电子科技大学;2004年
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4 廖燕;MPM用小型化行波管的研究和设计[D];电子科技大学;2005年
5 王健;行波管慢波结构冷测系统的研究[D];电子科技大学;2006年
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10 刘雪梅;超宽带大功率行波管的优化设计[D];电子科技大学;2010年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 孙淼,姚列明;耦合腔慢波结构热特性仿真环境的设计[J];电子科技大学学报;2005年04期
3 冯先龙;宋芳芳;恩云飞;;行波管慢波结构抗振可靠性研究[J];电子产品可靠性与环境试验;2009年06期
4 丛培亮;邓光晟;杨军;吕国强;阮久福;;耦合腔行波管PPM聚焦系统横向磁场分析[J];电子科技;2011年10期
5 殷海荣;宫玉彬;魏彦玉;黄民智;路志刚;王文祥;;虚边界元法与强流电子枪的电子轨迹模拟[J];计算物理;2006年06期
6 邓德荣;周霖;单李军;;X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统[J];强激光与粒子束;2010年04期
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9 杨赤如;贾宝富;朱兆君;;用三种软件仿真结构相似的收敛型皮尔斯电子枪[J];真空电子技术;2006年05期
10 颜胜美;姚列明;;螺旋线行波管慢波结构热特性计算专用软件开发[J];真空电子技术;2009年03期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 秦钰昆;杨中海;黄桃;胡权;金勇兵;杨德欣;;行波管CAD电子光学系统一体化计算[A];第九届真空技术应用学术年会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 胡权;微波管电子光学系统数值模拟及CAD技术研究[D];电子科技大学;2011年
2 黄桃;微波管电子光学系统CAD技术研究[D];电子科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 彭斓;微波管电磁聚焦系统CAD技术[D];电子科技大学;2011年
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4 杨赤如;小型化行波管电子光学系统与降压收集极设计方法的研究[D];电子科技大学;2007年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
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7 王树忠;丁耀根;王进华;;C波段多注速调管电子光学系统的初步设计[J];微波学报;2006年04期
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10 王勇,丁耀根,刘濮鲲,谢敬新,张瑞;高峰值功率多注速调管的初步研究[J];强激光与粒子束;2005年08期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 陈利;王羽伦;;SIEMENS PRIMUS M医用直线加速器电子及加速管的更换[A];第七届全国医用加速器学术交流会论文集[C];2006年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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10 顾新杰;CRT的终极革命[N];计算机世界;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 廖平;行波管电子光学系统CAD技术研究[D];电子科技大学;2004年
2 黄桃;微波管电子光学系统CAD技术研究[D];电子科技大学;2007年
3 胡权;微波管电子光学系统数值模拟及CAD技术研究[D];电子科技大学;2011年
4 姚列明;微波管的热分析[D];电子科技大学;2007年
5 朱兆君;MPM用小型行波管CAD研究[D];电子科技大学;2008年
6 王华军;回旋管电子枪CAD[D];电子科技大学;2000年
7 王建勋;Ka波段回旋放大器及W波段带状束电子光学系统的研究[D];电子科技大学;2010年
8 王丽;回旋管电子光学系统的研究[D];电子科技大学;2006年
9 罗小为;新型电子直线加速器改良与测试[D];中国科学技术大学;2010年
10 司磊;低压反应离子镀设备关键技术研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2000年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 冯海平;X波段速调管电子光学系统的研究[D];电子科技大学;2012年
2 王加梅;高功函数薄膜制备及抑制收集极二次电子发射机理研究[D];电子科技大学;2012年
3 杨景华;带状注速调管电子光学系统的研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2007年
4 孙富宇;EIO强流电子光学系统研究与设计[D];电子科技大学;2010年
5 高迅鸿;行波管多级降压收集极CAD技术研究[D];电子科技大学;2004年
6 邵淑伟;一种小型化电子枪的技术研究[D];电子科技大学;2012年
7 秦钰昆;行波管电子光学系统一体化设计[D];电子科技大学;2007年
8 李延威;空间行波管收集极的热分析[D];电子科技大学;2009年
9 金勇兵;行波管电子光学发射模型及数值模拟分析[D];电子科技大学;2007年
10 吴文状;行波管设计方法的改进与优化[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2007年
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