Численное исследование трехмерных многомодовых электродинамических систем электронных СВЧ приборов

• Автор: Кулыгин, Максим Львович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Глава 1. Методика расчета трехмерных электродинамических систем
1.1 Общие принципы метода конечных разностей во временной области ГОТО
1.2 Расчет закрытых электродинамических систем. Ступенчатая модель аппроксимации граничных условий идеального проводника для 2- и 3-мерных геометрически сложных объектов
1.3 Модификация метода РОИ) для решения открытых задач. Идеально согласованный поглотитель ЦРМЬ
1.4 Влияние эффектов аппроксимации граничных условий на точность расчета Щ методом РИТЭ
1.5 Выводы
^ Глава 2. Расчет волноводных систем с винтовой гофрировкой
2.1 Структура поля внутри гофрированного участка
2.2 Дисперсионная кривая гофрированного участка
2.3 Выводы
Глава 3. Исследование волноводного преобразователя мод ТМогТЕц с помощью сигналов с различным частотным спектром
3.1 Квазистационарное решение на центральной частоте
3.2 Преобразование импульсов. Определение характерной длительности импульса, выше которой преобразователь сохраняет функциональность
^ 3.3 Расчет амплитудно-частотной характеристики преобразователя по отклику на
импульс с широким спектром
# 3.4 Выводы
Глава 4. Расчет открытых волноводных преобразователей мод
4.1 Волноводный элемент преобразователя симметричных мод в гауссов пучок
4.2 Волноводный элемент преобразователя несимметричных мод
4.3 Преобразователь на «сильном прогибе» круглого волновода
4.4 Выводы
Заключение
Цитированная литература
Список публикаций автора по теме диссертации

Актуальность темы диссертации
Развитие современных электронных СВЧ приборов сопровождается повышением их мощности и эффективности, расширением частотных диапазонов, использованием новых режимов работы. Электродинамические системы таких приборов характеризуются наличием сложной геометрии и требуют высокой точности расчета. Существующие аналитические методы исследования в большинстве практических приложений обладают значительной погрешностью решений, поэтому могут быть использованы только для оценки. Обеспечить приемлемый уровень точности расчета при построении современных СВЧ приборов могут только численные методы. Среди них важную роль играют методы анализа электродинамических систем, т.е. нахождения решения уравнений электродинамики при наперед заданных начальных и граничных условиях. Большинство численных методов обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения. Поэтому задача поиска «универсального» численного метода анализа является актуальной. Расширить область применения возможно за счет прямого интегрирования системы уравнений Максвелла и расчета всех шести компонент электромагнитного поля, изменяющихся во времени. До недавнего времени невысокий уровень развития компьютерной техники не позволял широко использовать подобные методы из-за высоких требований к вычислительным ресурсам. Сейчас данное ограничение снято, и используемый в работе метод FDTD (Finite Difference Time Domain, метод конечных разностей во временной области) [1-13] позволяет получать результаты с приемлемой точностью для широкого круга задач. Основным достоинством метода FDTD
является его работоспособность в областях, недоступных другим численным методам.
С момента появления метода FDTD в 1966 г. [1] и по сегодняшний день в мире было выпущено несколько тысяч работ, посвященных различным его аспектам. Существуют подробные обзоры [2, 3], созданы специализированные библиографические базы данных [4], вышли монографии [5-10]. К сожалению, публикации отечественных авторов по данной тематике весьма немногочисленны [11-16], что, вероятно, объясняется малой доступностью мощных ЭВМ, необходимых для полномасштабной реализации метода. Поэтому, решение практических задач для электронных СВЧ приборов с использованием новейших технологических достижений в методе FDTD, в том числе и собственных, является актуальным.
Существующие отечественные программные продукты, реализующие метод FDTD (например, KARAT [14], IRE [15, 16]), написаны для решения узкого круга конкретных физических задач и, к сожалению, не ориентированы на массовое распространение. При этом предлагаемые западными фирмами коммерческие универсальные программные продукты, использующие FDTD (например, CST Microwave Studio [17], CFDTD [18], MAGIC [19], GdfidL [20]), стоят десятки-сотни тысяч долларов. Очевидно, что разработка конкурентоспособных отечественных программных продуктов, позволяющих ускорить процесс расчета при сохранении точности результатов и обеспечить возможность массового использования, является перспективной.
В настоящей работе исследуется адекватность применения метода FDTD для решения задач электроники СВЧ. Приводятся результаты численного моделирования методом FDTD, полученные в результате разработки собственного программного обеспечения. В дальнейшем

проводится в интервале частот от 28 ГГц до 36 ГГц с шагом в 1 ГГц. Используется декартова кубическая координатная сетка с шагом 2Д = 0.2 мм и параметром Куранта $ = 1.4. Размеры системы составляют 87 х 87 х 1137 ячеек по осям декартовой системы координат. Расчет одной точки дисперсионной кривой на компьютере с процессором АІУГО АЙі1оп-1000 занимает менее 2 часов.
На рис. 2.1.2 представлены диаграммы распределения некоторых декартовых компонент поля в продольных плоских сечениях гофрированного
волновода, полученные в процессе расчетов.
• «и
(а) Ех, х = -у*
(б) Ех, X - -Ш2Ї- = СОН5Г
(в) Еу, х = ах
(г) Еу, у - а*
(г) Нг, х = Хтах = соті
Рис. 2.1.2. Диаграммы распределения полей в продольных сечениях системы внутри гофрированного участка