圆柱坐标系有限积分方法仿真耦合腔高频特性

摘要

随着真空电子技术的不断发展，军事电子工业和民用行业中对行波管性能的要求也越来越高。行波管作为高功率宽频带的微波源和重要的微波信号放大器在相关行业中具有不可替代的地位。现代卫星通信、空间通信、相控阵雷达等技术的发展又从小型化、高寿命、高可靠性等方面对行波管提出了更高的要求。 随着计算机软件技术的发展和计算机速度的提升，计算机模拟仿真技术在微波管设计中得到广泛的应用，世界上许多国家都积极发展计算机辅助设计技术，利用电子计算机来精确模拟微波管中电子与高频场的相互作用，与必要的实验相结合，可节省大量的设计时间，缩短研制周期。 本论文的主要工作是通过研究现有的有限积分方法，研究了圆柱坐标系下的有限积分方法的公式，并编写matlab和Fortran程序，计算柱形谐振腔、圆形波导以及耦合腔的高频特性，与CST，MAFIA结果进行了比较，验证了公式的准确性，得到了较好的结果。 本论文给出了一些行波管的相关物理基础，微波管CAD发展的现状，讲述了国际上一些常用的计算方法，如：有限元法，有限积分方法，时域有限差分方法。并简要介绍了相关国际上一些三维软件MAFIA，CST等所使用的有限积分方法。描述了圆柱坐标系下有限积分方法的推导过程，以及在Maxwell方程离散后，后处理过程中，频域下化简有限积分公式得到的数值方程，引出了矩阵特征值求解的数学问题。 对于大型稀疏矩阵求解特征值，本论文简要给出了一些经典的算法，以及自己在程序实现求解过程中使用的方法，介绍了在求解复矩阵过程中，选用的Arpack软件包，对实现过程中的方法进行了简单描述。 论文最后给出了一些典型的微波管结构，并对其离散，利用推导的圆柱坐标系下的有限积分公式进行模拟计算，与解析解、实验测得或者一些现有的三维软件进行了比较，验证了公式的正确性，并分析了得到的结果，找出方法的优点和缺点，寻求解决的办法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2微波CAD发展现状

1.2.1我国的宽带大功率行波管CAD发展现状

1.2.2欧洲、俄罗斯、乌克兰等国的行波管CAD发展现状

1.3 三维行波管CAD发展现状

1.3.1数值计算方法及相关软件

1.3.2数值计算软件及应用

1.4论文的研究内容及意义

第二章有限积分方法模拟高频特性的基本理论

2.1引言

2.1.1有限元方法

2.1.2时域有限差分法

2.1.3有限积分方法

2.2有限积分方法理论

2.2.1有限积分方法场域离散

2.2.2有限积分方法中Maxwell方程的离散

2.3有限积分方法在圆柱坐标系下的推导

2.3.1有限积分方法在圆柱坐标系下的场域离散

2.3.2有限积分方法在圆柱坐标系下的Maxwell方程组的离散

2.4有限积分方法的后处理

2.4.1介质材料的加载

2.4.2有限积分公式的化简

2.4.3特征值伪解的去除

2.5周期性结构的有限积分方法

2.5.1弗洛奎定理

2.5.2有限积分方法中弗洛奎定理的使用

第三章稀疏矩阵特征值的求解

3.1引言

3.2稀疏矩阵行格式存储方法

3.3 Lanczos算法

3.3.1 Lanczos算法

3.3.2特征值的计算(二分法)

3.4 Arnoldi算法

3.4.1 Arnoldi基本方法

3.4.2 Arnoldi重启算法

3.4.3 Arpack软件

第四章耦合腔的高频特性模拟计算

4.1 圆柱形谐振腔的高频特性仿真

4.2圆形波导的高频特性仿真

4.3耦合腔慢波系统的高频特性仿真

4.3.1引言

4.3.2耦合腔结构模型

4.3.3模拟计算

4.3.4耦合腔场分布图

第五章结语

致谢

参考文献

作者攻硕期间取得的成果