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微波管输入输出窗及任意结构腔体有限元理论与CAD技术

作　者: 叶珍
导　师: 杨中海
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 微波管谐振腔输入输出窗矢量有限元叠层矢量基函数
分类号: TN12
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

微波电真空器件因其具有高增益、高功率、高效率、宽频带等优点,在微波、毫米波领域,尤其是在微波通信中一直都是不可缺少的电子器件之一。最近二十年来,传统的基于解析理论和实验研究的微波管设计手段已经很难进一步地提高微波管的整管性能,而高精度和高性能的微波管CAD技术是改进微波管设计能力的主要手段。2007年,电子科技大学理论与计算模拟实验室着手研究开发了我国第一款三维微波电真空器件仿真设计软件—微波管模拟器套装(MTSS)。MTSS包括人机交互模块(MTDE)、电子光学模拟器(EOS)、高频电路模拟器(HFCS)、注波互作用模拟器(BWIS)、磁聚焦系统模拟器(MFS)以及输入输出窗模拟器(WS)等模块。本学位论文的研究是在以“微波管模拟器套装”项目为背景下开展的。首先,采用矢量有限元法对微波管中的任意介质加载谐振腔进行本征分析,从而计算出其本征频率和Q值,并开发了一个任意结构腔体的三维本征求解器。该求解器是微波管模拟器套装中高频电路模拟器模块的一部分。其次对微波管中的任意多端口输入输出结构进行全波三维有限元分析,从而准确地求解其S参数和场分布,并开发了一个输入输出窗模拟器(WS)的初步版本。本论文的主要工作与创新点如下:1、深入研究电磁场有限元方法,掌握有限元法推导的两种方法——里兹法和迦略金法。在熟悉有限元低阶矢量基函数的基础上,进一步研究有限元的各种高阶矢量基函数,并将高阶矢量叠层基函数加以应用。2、采用里兹有限元法结合广义变分原理,推导出在任意介质加载下的谐振腔全电场泛函表达式;然后用低阶矢量插值基函数对该泛函进行离散;最后实现能够准确求解任意形状,任意介质(包括有耗介质和各向异性介质)加载下的谐振腔的任意模式本征频率、品质因数以及场分布。3、采用伽略金有限元法,对微波管输入输出结构边值问题进行伽略金弱形式推导,包括了不同边界条件的强加方法(如理想电壁的强强加和理想磁壁及吸收边界条件的弱强加),然后用高阶矢量叠层基函数离散,最后实现输入输出窗S参数模拟。4、为了提高微波管输入输出结构有限元分析的效率,利用高阶矢量叠层基函数的叠层性,采用一种p-型乘法的多重网格预处理迭代计算,从而快速求解所得的大型稀疏线性矩阵方程。5、通过大量的算例,验证了任意结构腔体的三维本征求解器计算任意介质加载谐振腔的本征频率及Q值的能力,并将计算结果与解析值及HFSS对比,证明了该求解器的计算精度。6、通过几个计算实例,验证了微波管输入输出窗模拟器(WS)计算任意截面多端口网络S参数的能力,并且在微波管输入输出结构仿真时,将计算时间和计算结果分别和HFSS及CST MWS对比,全面地分析了微波管输入输出窗模拟器(WS)的计算准确性和效率。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-17
  1.1 微波管概述及其CAD 技术的发展  10-11
  1.2 有限元法在微波管CAD 技术中的应用  11-13
  1.3 S 参数仿真理论及发展  13-14
  1.4 本课题的研究意义  14-15
  1.5 本文的组织结构  15-17
第二章计算电磁学中的有限元方法  17-30
  2.1 求解边值问题的一般方法  18-20
    2.1.1 里兹有限元法  18-19
    2.1.2 伽略金有限元法  19-20
  2.2 插值基函数  20-25
    2.2.1 标量插值基函数  20-22
    2.2.2 矢量插值基函数  22-25
  2.3 高阶矢量基函数  25-27
    2.3.1 插值型高阶矢量基函数  25-26
    2.3.2 叠层型高阶矢量基函数  26-27
  2.4 时谐麦克斯韦方程及边界条件  27-30
    2.4.1 麦克斯韦方程组  27-28
    2.4.2 在介质交界面上的边界条件  28-30
第三章任意结构腔体的三维本征求解器有限元理论  30-38
  3.1 本征方程的导出  30-32
  3.2 模型建立与网格划分  32-33
  3.3 构建矩阵方程  33-36
    3.3.1 单元矩阵集成  33-35
    3.3.2 边界条件的强加  35-36
  3.4 大型稀疏矩阵的压缩存储  36-37
  3.5 本征方程的求解  37-38
第四章微波管输入输出窗模拟器有限元理论  38-46
  4.1 电磁场有限元法的函数空间理论  38-40
  4.2 微波管输入输出结构的边值问题及弱形式推导  40-42
  4.3 高阶叠层矢量基函数应用  42-44
  4.4 SCHWARZ 矩阵求解技术  44-46
    4.4.1 pMUS 作为一种SCHWARZ 区域求解法  44
    4.4.2 pMUS 技术  44-46
第五章数值计算结果与分析  46-59
  5.1 谐振腔本征模块程序验证与误差分析  46-53
    5.1.1 无介质加载的谐振腔  46-49
    5.1.2 各向同性介质加载的谐振腔  49-52
      5.1.2.1 无耗介质填充下的谐振腔  49-50
      5.1.2.2 有耗介质填充下的谐振腔  50-52
    5.1.3 各向异性介质加载的谐振腔  52-53
  5.2 S 参数模块程序验证与误差分析  53-59
    5.2.1 魔 T 模型  53-54
    5.2.2 微波管输入输出结构  54-59
      5.2.2.1 同轴输入窗  54-57
      5.2.2.2 输出耦合装置  57-59
第六章总结  59-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
攻硕期间取得的研究成果  65-66

微波管输入输出窗及任意结构腔体有限元理论与CAD技术

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