螺旋線慢波系統(tǒng)高頻特性理論分析與數(shù)值模擬.pdf

1、螺旋線行波管是微波/毫米波電真空器件中最重要的器件之一，具有高功率、高增益、高效率、寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)，在通訊、雷達(dá)、電子對抗等現(xiàn)代軍事電子裝備中得到了廣泛應(yīng)用。螺旋線慢波系統(tǒng)的高頻特性對行波管的工作帶寬、增益、輸出功率與效率等參數(shù)均有重要影響。因此，人們一方面不斷提出改善行波管各種性能(帶寬、效率、輸出功率等)的新型結(jié)構(gòu)形式，另一方面不斷探索更為精準(zhǔn)的理論分析與數(shù)值計算方法。 本博士學(xué)位論文在“寬帶大功率行波管CAD技術(shù)研究”項(xiàng)目的

2、框架下，對螺旋線慢波系統(tǒng)的理論分析與數(shù)值計算方法進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究，研究成果(理論與程序)應(yīng)用于“寬帶大功率行波管CAD集成環(huán)境”的高頻計算模塊。主要工作和創(chuàng)新之處在于： 1、針對無翼片和無限多翼片加載螺旋線慢波系統(tǒng)，建立了考慮螺旋帶厚度、螺旋帶寬度、螺旋帶上面電流分布、任意數(shù)目任意形狀夾持桿的螺旋帶模型，通過場匹配法得到了系統(tǒng)的色散、耦合阻抗和衰減常數(shù)方程式；在該理論模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)螺旋帶厚度對螺旋線慢波系統(tǒng)高頻特性的影

3、響，提出了一種基于螺旋帶厚度調(diào)整的修正理論分析模型。利用該修正模型分析了管殼、翼片、夾持桿與螺旋帶對慢波系統(tǒng)高頻特性的影響，并對無翼片加載與無限多翼片加載的兩個實(shí)際高頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算，結(jié)果跟MAFIA模擬結(jié)果吻合甚好。最后，根據(jù)高頻特性隨螺距變化的規(guī)律，提出了線性插值法以高精度獲取螺距漸變系統(tǒng)的高頻參量。 2、針對扇形翼片加載螺旋線慢波系統(tǒng)，建立了考慮螺旋帶厚度、扇形翼片形狀與尺寸的有限厚度翼片螺旋導(dǎo)電面模型，利用場匹配法得到了

4、系統(tǒng)的色散、耦合阻抗與衰減常數(shù)方程式；利用該模型，分析了扇形翼片頂端半徑與扇形翼片夾角對系統(tǒng)高頻特性的影響，得到了符合物理意義的結(jié)論。最后對模型的計算精度進(jìn)行了測試。 3、針對T形翼片加載螺旋線慢波系統(tǒng)，建立了考慮螺旋帶厚度、T形翼片形狀與尺寸的有限厚度翼片螺旋導(dǎo)電面模型，利用場匹配法得到了系統(tǒng)的色散，耦合阻抗與衰減常數(shù)方程式；利用該模型，分析了T形翼片頂端半徑與T形翼片粗端寬度對系統(tǒng)高頻特性的影響。最后，對模型的計算精度進(jìn)行了

5、測試。 4、深入研究了有限積分理論。直接從積分形式麥克斯韋方程組出發(fā)，通過空間離散與方程離散得到麥克斯韋網(wǎng)格方程組，由此得到任意結(jié)構(gòu)的一般方程；深入分析了麥克斯韋網(wǎng)格方程組的代數(shù)特性，論證了其解的不確定性，并指出了一種可避免解不確定性的措施。最后，對確定的高頻結(jié)構(gòu)，為了得到唯一確定的電磁場解，對基于有限積分理論的電邊界、磁邊界以及周期結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)周期邊界的數(shù)值實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究。 5、針對有限積分代數(shù)方程的性質(zhì)、形成以及求解

6、計算，展開了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。采用“行索引稀疏格式”壓縮存貯技術(shù)節(jié)約內(nèi)存，采用大型稀疏矩陣的模式乘法，提高矩陣計算效率，高效獲得了離散電場分量滿足的有限積分方程；針對有限積分特征方程的求解，論文介紹了大型稀疏矩陣Krylov子空間迭代方法，并提出了位移求逆Arnoldi算法，以排除非物理的靜態(tài)電磁場解，獲得指定頻率附近的特征值。最后，利用大型稀疏矩陣特征求解函數(shù)庫ARPACK，開發(fā)了基于位移求逆Arnoldi算法的有限積分?jǐn)?shù)值計算程序

7、。程序在只求一個本征模式的條件下，對簡單電磁邊界等對應(yīng)實(shí)矩陣特征方程的高頻結(jié)構(gòu)，最大允許的網(wǎng)格數(shù)可達(dá)一百余萬，對應(yīng)實(shí)矩陣的維數(shù)超過三百萬；對準(zhǔn)周期邊界等對應(yīng)復(fù)矩陣特征方程的高頻結(jié)構(gòu)，最大允許的網(wǎng)格數(shù)約56萬，基本滿足行波管高頻系統(tǒng)數(shù)值分析的需要。 6、利用有限積分理論與自編數(shù)值計算程序，對矩形諧振腔，矩形波導(dǎo)，圓柱波導(dǎo)進(jìn)行了模擬計算，獲得了對應(yīng)主波的諧振特性與色散特性，分析了計算結(jié)果隨網(wǎng)格的收斂特性。計算結(jié)果跟同樣條件(結(jié)構(gòu)、網(wǎng)