分布互作用器件的效率优化与设计

发布时间：2020-11-14 12:15

　　 分布互作用器件(Extended Interaction Device,EID)是一类结合了速调管和行波管优点的真空电子器件,在毫米波至太赫兹波段已经成为重要的高功率源器件。如何获取高频率、宽带宽、高功率与高效率一直是高频段微波器件的研究重点,但是分布互作用器件各个目标之间的最优取值会因为客观条件而彼此制约。本文基于一维非线性自洽理论,以W波段分布互作用振荡器(Extended InteractionOscillator,EIO)为例,围绕其输出功率、效率、带宽以及周期个数等相关主题开展模拟分析与优化设计,主要完成了以下几方面的工作:(1)基于电子圆盘注-波互作用方程和能量守恒基本原理,结合分布互作用振荡器的冷测参数,得到了自洽非线性理论模型,并以W波段,7间隙振荡器为例进行计算模拟,讨论了振荡器的结构参数与工作参数对其输出功率、电子转化效率及起振时间的影响。(2)基于非支配排序遗传算法Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithms,简称NSGA-Ⅱ),将分布互作用振荡器优化等效为多目标优化问题,完成了决策向量,解向量的构建,并将一维非线性程序与NSGA-Ⅱ算法结合,得到了分布互作用振荡器输出性能的全局优化程序,分析了在周期结构下,不同参数数量与目标数量下的优化结果及参量分布规律,跳出了单个目标局部优化的限制,得到了具有处理分布互作用振荡器多维复杂问题能力的全局优化算法,从而有效解决了其输出功率、效率、带宽等多个目标共渡性问题。(3)根据全局优化程序得到6间隙分布互作用振荡器结构工作参数及结构参数,其输出功率为2065W,转化效率为25.2%,并利用CST对该优化结构建模,进行PIC仿真验证,最终得到输出功率为1893W,转化效率为22.7%的高频结构,验证了分布互作用振荡器全局优化的可行性。
【学位单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN752
【部分图文】：

离散分布在这些网格上，利用计算技术跟踪大量粒子在第一原理描述的“真实力”??卜的运动，再对组成物体的大量微观粒子特性进行统计平均，从而得到宏观物体??的特质特性和运动规律，其主要计算过程如下图１－６所示［Ｈ１。??［卜溫■丨－卜；則??蒙特卡洛碰Ｌ?粒子边界处??撞处理?理??图１－６?ＰＩＣ兑法流程图??真空电子器件屮电磁场的分布满足Ｍａｘｗｅｌｌ方程组，为求解Ｍａｘｗｅｌｌ方程组，??采用将方程组的积分形成（式１－１和式１－２）在Ｙｅｅ?Ｎ格屮离散的方法，根掂其吋域??冇限差分（ＴＯＴＤ）方程来求解，式１－３和１－４为丨ｌｌ磁场量在网格上的积分离散量，??５??

??ｔ＝ｔ－ｔ?ｓｔｅｏ??图３－丨一维非线性程序流程图??由于计算理论基于电子圆盘模型，所以电子圆盘数量的选择会影响计算结果，??下图３－２为电子圆盘数目对输出功率的计算影响，可以看出电子圆盘数目过少时，??程序计算与ＣＳＴ仿真数据相差较大，随着圆盘数目的增加，差值不断减小，从??４０个圆盘开始，程序计算与ＣＳＴ仿真差值最小，并且基本不再变化，考虑到圆??盘数目越多程序运行时间越长，因此综合考虑程序计算的准确度和运行时间，本??文选择圆盘数目为４０来进行程序模拟计算。又因为我们采用龙格库塔法解微分??方程，因此时间步长的选择也会对结果造成影响，本文选取时间步长为高频电场??周期的１／２００。??２１??

第三章基于一维非线性理论的程序模拟与分析??假设其它参数一定，改变工作电压得到输出功率随吋间变化曲线，如图３－３??所示。可以看出，当电压Ｋ〇＝１４ｋＶ和ｌ＾＝１９ｋＶ时输出功率为０，也就是振荡器没??有起振；当直流电压在１５ｋＶ和１８ｋＶ之间吋，振荡器有明显功率输出。根据慢??波结构屮注－波卩彳步与规合基本原理，当电子速度与２３１模…次谐波的相速相等时，??即Ｖ〇?＝?Ｕｐ时，才可能发生有效互作用，此吋计算得到同步电压６?＝??１４．４３ｋＶ，并且仅当直流电压７。大于１４．４３ｋＶ时，电子速度略大于模相速，电??丫－注释放能Ｍ：给谐振腔，振荡器才苻可能起振；，电压％＝１６ｋＶ吋，振荡器到达??稳记输出功率时间Ｍ短为７ｎｓ左右，输出功率为９０３Ｗ，效率仅为１１．３％，随着??屯吒升高
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本文编号：2883466