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螺旋线行波管单周期PIC模拟

作　者: 徐元军
导　师: 李建清
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 螺旋线行波管注-波互作用粒子模拟非线性现象
分类号: TN124
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 28次
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内容摘要

螺旋线行波管是一种大功率、宽频带、高增益、高效率的微波/毫米波功率放大器件,当前在真空电子器件领域中其研究和发展最为活跃,并广泛应用于雷达、通信、电子对抗等现代军事装备中。其主要机理为通过电子注和电磁波的相互作用,将电子注的能量转换给高频电磁波,从而实现高频信号的功率放大。因此,对行波管中电子注和电磁波相互作用的物理过程进行深入研究和分析十分必要。本论文采用粒子模拟(PIC)方法跟踪单个周期内电子的运动,并利用滑动窗时域有限差分法(MWFDTD)计算电磁波的传播和激励,从而对螺旋线行波管电子注和电磁波的相互作用过程进行模拟和分析研究。本论文主要工作和创新之处在于以下三个方面:(1)建立了螺旋线行波管二维物理模型通过采用螺旋导电面近似代替螺旋线,均匀介质圆环替代介质夹持杆的简化处理,建立了螺旋线行波管二维物理模型;同时,给出了PIC数值模拟中所需要的螺旋导电面边界条件。(2)对模拟空间进行了二维Yee网格划分通过计算确定了一个导波长度的模拟空间,并在此空间进行了二维网格划分;根据PIC数值模拟方法和滑动窗时域有限差分法(MWFDTD)确定了各场分量在网格节点和网格空间中的位置,同时给出了模拟中所需要的边界条件。(3)对电场、磁场以及电子注相关物理量初始值进行了确定,编程对螺旋线行波管单个周期内电子注和电磁波相互作用过程进行了数值模拟。跟踪模拟了螺旋线行波管中电磁波和电子注能量以及电子宏粒子在相空间速度和相对位置的变化。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-19
  1.1 行波管发展历史及现状  10-11
  1.2 行波管概述  11-16
    1.2.1 行波管功能  11-12
    1.2.2 行波管结构  12-14
    1.2.3 行波管工作原理  14-16
  1.3 课题研究的目的和意义  16
  1.4 论文主要工作与创新  16-17
  1.5 学位论文的组织结构  17-19
第二章粒子模拟理论  19-35
  2.1 粒子的PIC 模型  19-24
    2.1.1 粒子模拟简介  19-20
    2.1.2 粒子模拟的维数  20
    2.1.3 粒子模拟的模型  20-21
    2.1.4 超粒子简介  21
    2.1.5 有限大小粒子简介  21-24
  2.2 电磁场的数值计算  24-32
    2.2.1 电磁场的传统求解与数值求解  24-25
    2.2.2 FDTD 基本原理  25-32
      2.2.2.1 FDTD 算法的实现  25-30
      2.2.2.2 FDTD 解的稳定性  30-31
      2.2.2.3 FDTD 边界条件  31-32
  2.3 粒子运动方程  32-33
  2.4 PIC 中的电荷守恒  33-34
    2.4.1 Langdon-Marder 修正  33-34
    2.4.2 Langdon-Marder 修正的实现  34
  2.5 小结  34-35
第三章螺旋线行波管单周期PIC 模拟理论  35-48
  3.1 概述  35
  3.2 MWFDTD 介绍  35-36
  3.3 模拟空间的离散化  36-39
    3.3.1 物理模型的建立  36-37
    3.3.2 确定模拟空间  37-38
    3.3.3 模拟空间FDTD 网格划分  38-39
  3.4 电场和电流密度插值求解  39-40
  3.5 边界条件和初始条件  40-45
    3.5.1 螺旋线行波管满足的边界条件  40-42
    3.5.2 电磁场的初始分布  42-45
  3.6 计算方法  45-47
  3.7 小结  47-48
第四章螺旋线行波管单周期PIC 模拟结果  48-57
  4.1 螺旋线行波管高频特性  48-50
  4.2 电子注和电磁波能量的变化  50-56
    4.2.1 初始激励的确定  50
    4.2.2 模拟结果  50-56
  4.3 小结  56-57
第五章总结  57-59
  5.1 主要工作内容  57
  5.2 成果与展望  57-59
致谢  59-60
参考文献  60-62
攻硕期间取得的研究成果  62-63

螺旋线行波管单周期PIC模拟

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