微波管高頻系統(tǒng)時(shí)域分析與研究.pdf

1、微波管高頻系統(tǒng)的特性直接影響著微波管的工作頻率、頻帶寬度、換能效率和輸出功率，以及其它一系列整管性能。因此，研究與分析微波管高頻系統(tǒng)的特性，對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化微波管高頻結(jié)構(gòu)具有決定性意義，同時(shí)也對(duì)微波管整管的研制具有非常重要的指導(dǎo)性作用。本論文從時(shí)域上，對(duì)軸對(duì)稱(chēng)變截面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)高頻系統(tǒng)的特性進(jìn)行了研究與分析。 應(yīng)用正交函數(shù)的展開(kāi)理論，將變截面波導(dǎo)中的電磁場(chǎng)表示為橫電波(TE)和橫磁波(TM)本征模式的級(jí)數(shù)；然后根據(jù)耦合波理論，推導(dǎo)了考慮

2、波導(dǎo)金屬壁有限電導(dǎo)率的變截面波導(dǎo)時(shí)域多模耦合波方程組(或者說(shuō)廣義電報(bào)方程組)及各模式間耦合系數(shù)的表達(dá)式。時(shí)域多模耦合波方程組是波導(dǎo)模式振幅的空間一維關(guān)聯(lián)一階偏微分方程組；因此，電磁場(chǎng)的計(jì)算就是求解波導(dǎo)模式振幅的一維關(guān)聯(lián)偏微分方程組，而不用求解Maxwell全微分方程組。 針對(duì)研究結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特殊情況，建立了耦合波方程的穩(wěn)態(tài)模型；并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值算法分析，編寫(xiě)了穩(wěn)態(tài)模型數(shù)值模擬程序--用于數(shù)值模擬變截面波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)中

3、的多模傳輸特性。首先，為了說(shuō)明在THz波段研究變截面波導(dǎo)中的多模傳輸特性時(shí)，波導(dǎo)壁的有限電導(dǎo)率影響必須考慮，應(yīng)用該模擬程序?qū)A波導(dǎo)中的模式衰減問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。然后，介紹了應(yīng)用該模擬程序?qū)ψ兘孛娌▽?dǎo)傳輸系統(tǒng)，如波導(dǎo)耦合器和過(guò)渡器的多模傳輸特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析的實(shí)例。 接下來(lái)，重點(diǎn)分析了時(shí)域耦合波方程組--時(shí)域模型的數(shù)值算法。首先，將時(shí)域耦合波方程組的關(guān)于軸向z的一階關(guān)聯(lián)偏微分方程組形式化為二階偏微分方程組形式；然后采用時(shí)域

4、有限差分法“預(yù)測(cè)-校正”方式對(duì)其進(jìn)行求解。這樣避免了直接對(duì)一階關(guān)聯(lián)偏微分方程組采用時(shí)域有限差分法求解而導(dǎo)致的截止模指數(shù)增長(zhǎng)的錯(cuò)誤。由于波導(dǎo)模式的復(fù)振幅是時(shí)間的緩變函數(shù)，在一個(gè)波周期，它的值變化緩慢；因此，在數(shù)值計(jì)算中更新電磁場(chǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)不再受Courant條件限制，可以取比波周期大很多的時(shí)間步長(zhǎng)。 最后，編寫(xiě)了時(shí)域模型數(shù)值模擬程序--用于模擬分析變截面波導(dǎo)高頻系統(tǒng)的“冷腔”特性和變截面波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)中的多模傳輸特性；并介紹了應(yīng)用該