有限元法在毫米波Gunn管振荡器及功率合成器设计中的应用

摘要

随着科学技术的发展，电磁场有效控制和利用问题的研究已显得日趋重要。现代技术的许多方面都与电磁场有关，复杂电磁系统的分析与综合，以及高频电磁场与复杂目标相互作用的分析与计算，都成为计算电磁学的重要课题。从理论上讲，数值方法对于任何频率、任何形状和大小的物体，只要建立了算子方程模型，都能求出指定精度的解以满足工程的需要。数值方法在所能处理的问题的范围和复杂程度上表现出巨大的优越性。 其中有限元法是一个用途广泛的工具，它可以用来处理各种复杂结构。本文中我们的有限元程序采用不同等级的插值基函数，来分析优化毫米波Gunn管振荡器结构，结果表明：1.5阶插值有限元程序与0.5阶插值相比，在剖分较小未知量的情况下得到了较为精确的结果，并且计算时间也大大缩短。我们还研究了区域分解技术对基于有限元方法的大规模线性方程的系数矩阵进行求解，把区域分成若干子区域及相邻子区域间的分界面，从而将复杂的大规模求解问题分解为若干子问题。 为了保证毫米波振荡器输出较大的功率来满足实际的工程需要，本文还利用1.5阶有限元程序及引入区域分解技术的FEM程序优化了一些功率合成技术器件，包括四端口功率合成器和准光腔功率合成器。利用ANSYS建模先对这些器件进行模型的简化，然后采用完全匹配层PML来模拟这些器件的负载匹配和开放区域的电磁波传输。所设计的振荡器在128GHz时，匹配度在．10dB以下，准光腔功率合成效率可达到87％，这些都为以后进一步的工作设计提供参考和建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1有限元法(FEM)发展过程及现状

1.2毫米波技术的特点及毫米波振荡器

1.3有限元法(FEM)应用于振荡器设计

第二章FEM的基本理论

2.1基于ANSYS的区域离散和网格划分

2.1.1区域的离散

2.1.2 ANSYS的建模过程

2.2 FEM求解过程

2.2.1子区域的划分

2.2.2 0.5阶和1.5阶插值函数的选择

2.2.3建立FEM方程组

2.2.4共轭梯度法求解

2.3微波二端口网络S参数的推导

第三章应用FEM分析优化毫米波负阻振荡器

3.1毫米波振荡器的基本理论

3.1.1 Gunn二极管的工作原理

3.1.2负阻振荡器的基本理论

3.2 FEM在振荡器电路设计中的应用

3.2.1电路结构的设计

3.2.2 ANSYS中模型的简化

3.2.3 FEM程序对基波振荡器和谐波振荡器的优化

3.2.4 FEM程序引入插值方法

3.2.5网格剖分对1.5阶FEM程序计算结果的影响

3.2.6FEM程序分析短路板距离变化对振荡器振荡频率的影响

第四章应用FEM分析振荡器的频率稳定性

4.1影响振荡器频率不稳定的因素

4.2稳频腔的基本理论

4.2.1圆柱形稳频腔

4.2.2稳频腔的设计形式

4.3FEM程序优化频带反射式稳频振荡器

4.4 FEM程序优化加稳频腔的其它结构

4.4.1 FEM程序对带阻式稳频振荡器的优化

4.4.2 FEM程序对短路板后加稳频腔(反射式)振荡器的优化

第五章应用FEM分析毫米波功率合成器件

5.1用于模拟匹配负载和分析开域问题的PML层

5.2 FEM程序优化四端口功率合成器

5.3FEM程序优化准光腔功率合成器

5.3.1FEM程序对半共焦准光腔小结构的优化

5.3.2 FEM程序优化准光腔其它小结构

第六章应用区域分解技术的FEM计算大结构电磁问题

6.1区域分解法

6.2公式的推导

6.3在电磁场中的应用

6.3.1对准光腔问题的求解

6.3.2划分区域个数对收敛速度和计算时间的影响

结束语

致谢

参考文献