微波管永磁聚焦系統(tǒng)三維有限元理論.pdf

1、作為一類重要的微波/毫米波電真空器件，微波管在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、電子對抗等領(lǐng)域具有不可替代的作用。永磁聚焦系統(tǒng)是微波管中使用頻率最高的一種聚焦系統(tǒng)，也是微波管電子光學(xué)系統(tǒng)的組成部分之一。它主要被用于維持電子注形狀，保證電子注的穩(wěn)定傳輸。其設(shè)計的優(yōu)劣對微波管的性能有直接影響。微波管磁系統(tǒng)的設(shè)計以往是通過一定假設(shè)條件下經(jīng)過簡化而得到的近似式，它只能是給出磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、磁體形狀尺寸的一種簡便估算方法，更精確的設(shè)計還是需要通過計算機(jī)模擬來實(shí)現(xiàn)。此外

2、，一些新型永磁聚焦結(jié)構(gòu)如Wiggler, PMQ, PCM等，都具有非對稱的特性，必須進(jìn)行全三維的磁場仿真模擬，以便設(shè)計、驗(yàn)證和優(yōu)化磁聚焦結(jié)構(gòu)。因此，永磁系統(tǒng)的CAD軟件是微波管設(shè)計工作必備的基礎(chǔ)工具之一，它為永磁系統(tǒng)的設(shè)計提供強(qiáng)有力的保障。本論文就是在這樣的背景下立題的，在深入研究微波管永磁聚焦系統(tǒng)的有限元理論基礎(chǔ)上，開發(fā)了微波管永磁聚焦系統(tǒng)磁場分析軟件，本文主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1、對微波管永磁聚焦系統(tǒng)的磁矢勢和磁標(biāo)勢有

3、限元理論進(jìn)行研究。首先從麥克斯韋方程組出發(fā)，建立了永磁聚焦系統(tǒng)磁場求解的磁矢勢有限元理論和磁標(biāo)勢有限元理論。通過一個單磁環(huán)的仿真，表明在三維的有限元仿真中磁標(biāo)勢有限元方法計算效率高于磁矢勢有限元方法。
　　2、對非線性材料的磁場計算方法進(jìn)行研究，提出了處理非線性極靴材料牛頓迭代+拋物線算法。通過一個四周期永磁聚焦系統(tǒng)的仿真，分析了這幾種非線性材料的模擬計算方法的收斂性和計算效率，結(jié)果表明牛頓迭代+拋物線算法的效果最好。同時，本文還

4、提出了專門處理非線性永磁材料的迭代算法，通過一個單磁環(huán)實(shí)例驗(yàn)證了算法的收斂特性。
　　3、對開域磁場問題的邊界處理技術(shù)進(jìn)行研究。從磁矢勢和磁標(biāo)勢有限元理論出發(fā)，建立了軸對稱永磁結(jié)構(gòu)和非軸對稱永磁結(jié)構(gòu)的漸近邊界條件。對于軸對稱結(jié)構(gòu)，通過單磁環(huán)和三周期永磁結(jié)構(gòu)的模擬，結(jié)果表明隨真空大小變化漸進(jìn)邊界計算結(jié)果收斂會快于要截斷邊界。對于非軸對稱永磁結(jié)構(gòu)，通過三周期永磁結(jié)構(gòu)，帶開口磁環(huán)的三周期永磁結(jié)構(gòu)和Wiggler結(jié)構(gòu)的模擬，結(jié)果表明隨真空

5、大小變化漸近邊界技術(shù)會略優(yōu)于諾曼邊界技術(shù)和截斷邊界技術(shù)。
　　4、基于永磁系統(tǒng)某些結(jié)構(gòu)的對稱性，在三維永磁系統(tǒng)模擬器中采用了局部對稱的計算方法，在不損失計算精度的前提下，通過對稱性減小計算區(qū)域來提高計算效率，減少計算資源消耗。
　　5、對網(wǎng)格自適應(yīng)的后驗(yàn)誤差估計和網(wǎng)格加密策略進(jìn)行研究，設(shè)計了一個能夠有效控制網(wǎng)格加密數(shù)的加密策略。通過PPM和Wiggler結(jié)構(gòu)分析了本文網(wǎng)格自適應(yīng)方法的收斂特性。同時，本文還把網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用

6、到電子光學(xué)和高頻電路的有限元模擬。另外，本文針對電子槍和螺旋線高頻結(jié)構(gòu)提出了專門的網(wǎng)格加密處理技術(shù)。
　　6、在上述微波管永磁系統(tǒng)有限元理論及關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三維微波管永磁系統(tǒng)磁場仿真設(shè)計軟件——永磁系統(tǒng)磁場模擬器(MFS)。MFS包含二維和三維的磁場計算程序，支持對永磁系統(tǒng)涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠方便的把永磁系統(tǒng)計算結(jié)果導(dǎo)入本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電子光學(xué)模擬器(EOS)和注波互作用模擬器(BWI