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利用矢量有限元法求微波多端口网络的S参数

陈钢  
【摘要】: 微波管是微波/毫米波电真空器件中最重要的器件之一,它具有高功率、高增益、高效率、宽频带等优点,在通信、雷达、电子对抗等领域中得到了广泛的应用,是国家重大专项的核心电子器件。“宽带大功率行波管CAD技术研究”是我国独立提出的,是一项长期的国家级高科技课题,是行波管由设计到制管的关键环节。电子科大从2003年起主动承担了该课题中最重要五个模块(电子枪、螺旋线高频电路、互作用、收集极、聚焦系统)的研究任务,并开发了基于Windows系统的“宽带大功率行波管CAD集成环境”软件。本学位论文在“宽带大功率行波管CAD技术研究”课题项目的指导下,基于许多前辈研究学者们辛勤研究成果的基础上进行矢量有限元本征值及模式激励方面的研究工作。课题的目的在于实现任意截面多端口网络S参数计算。 第一章简要介绍了微波管的CAD发展状况及有限元在微波CAD中的应用。 第二章介绍了矢量有限元理论及任意结构、任意介质加载二维、三维本征模式计算。该章后部分介绍了有限元最常用的匹配手段各向异性介质完全匹配层及其相关理论。最后,本章详细介绍了求解激励问题的端口边界条件。 第三章分析了Helmholtz方程弱形式与端口模式展开结合求解任意结构端口微波网络S参数方案,并对在此理论基础下的Galerkin加权余量法、广义散射矩阵法及Jin-Fa Lee方法进行分析。本章最后还针对GSM方法进行了解析激励和数值激励的离散化工作。 第四章简要介绍了模型网格划分、节点编号及矩阵求解相关理论。 第五章对介质加载二维、三维本征值问题及S参数程序计算结果进行分析并利用HFSS计算结果对比验证算法正确性。在求解二维本征值问题过程中,论文计算了有耗、各向异性介质加载的任意结构波导模式传输系数、色散曲线和模式电场分布。由于三维本征值问题和二维本征值问题理论很近似,论文仅对槽结构及各向异性介质填充的谐振腔模型进行计算。对于S参数求解模块,论文采用广义散射矩阵法。该方法通过归一化电压和归一化电流直接求解出归一化的导纳矩阵,进而求解出微波网络的S参数矩阵。和其它采用模式展开的方法相比,GSM方法矩阵求解过程简单,且能直接求解出任意微波网络的S参数。通过结果对比发现,程序计算结果和HFSS计算非常接近。 第六章对全文进行了概括性的总结,指出了本文的主要工作。同时给出了下一步研究工作的建议。


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