微波管慢波结构高频特性的有限元分析

【摘要】： 在微波、毫米波领域,尤其是微波通信中微波电真空器件一直都是不可或缺的电子器件之一。它具有高功率、高增益、高效率、宽频带等优点。目前,微波管已经广泛应用于宽带无线通信、雷达、电子干扰和对抗等民用及军用领域。由于慢波系统的高频特性对微波管的工作带宽、增益、输出功率以及效率等参数具有重要的影响,为了进一步改善微波管的性能,需要根据相关理论对它的尺寸和材料等进行一些调整。数值计算的引入使得这项工作变得简单而且经济。 为了更加准确并且快速的对慢波结构进行仿真模拟,本学位论文对微波管慢波结构冷腔特性的数值计算方法开展了较深入的研究。并在此基础上结合文献[1]的研究成果开发完善了第一套国产三维慢波结构仿真软件—高频电路模拟器(High Frequency Circuit Simulator,简称HFCS)。HFCS以有限元法和Maxwell电磁理论为数理基础,能够对任意结构及材料的慢波结构进行全三维的仿真模拟。目前,该软件已作为“微波管模拟器套装”的一个组件在一些科研单位得到了推广应用,并获得了良好的评价。本论文的主要工作与创新点如下: 1、深入研究有限元方法,掌握矢量有限元插值基函数在电磁学中的应用。矢量插值基函数能够二次可微,因此在处理矢量问题时并不会出现非物理的伪解或场的奇异性问题。 2、结合电磁学理论从慢波系统的边值问题出发分析推导了其泛函方程,并使用有限元中的里兹变分方法及矢量插值基函数对泛函方程进行离散,最终得到了能够数值求解的矩阵方程。 3、改进周期边界条件强加的方法并应用广义变分原理从而实现了高频结构中介质损耗的计算,并通过计算实例与HFSS对比验证了其计算精度。 4、研究了有限元网格自适应计算技术,它的两个技术难点是误差的判定与网格的局部控制。较简单地,本文使用本征频率作为误差的判定依据并初步实现了网格自适应计算。 5、在Windows平台下使用C++语言编写了慢波系统的仿真计算软件。该软件可以根据用户构建的模型自动计算出慢波系统的高频参数,如色散、耦合阻抗、衰减常数等。 6、使用大量的计算实例与理论解、实验值及HFSS等常用的仿真模拟软件相比较,验证了HFCS的计算精度。对于部分单位已成熟的微波管,该软件的计算结果与实际测试数据均比较吻合,使HFCS在实践中得到了检验。