Разработка методов анализа и расчета характеристик магнетронного генератора на основе численной трехмерной модели

• Автор: Ершов, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 107 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

1.1. Обзор существующих трехмерных моделей магнетронов

1.2. Постановка задачи и исходные положения

1.3. Модельные соотношения

1.3.1. Основные уравнения модели

1.3.2. Задание начального состояния

1.3.3. Расчет электрических и магнитных нолей

1.3.4. Моделирование эмиссионных процессов

1.3.5. Расчет наведенных ВЧ токов

1.3.6. Вычисления выходных характеристик
1.4. Методика моделирования
1.5. Выводы
2. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ
ОСНОВНЫХ УРАВНЕИЙ МОДЕЛИ
2.1. Описание электронного облака
2.2. Решение уравнений движения
2.3. Решение уравнения Пуассона.
2.3.1. Метод обратных матриц
2.3.2. Метод Зсйделя
2.3.3. Сравнение точности и быстродействия методов
2.4. Расчет неоднородных ВЧ полей
2.5. Решение уравнения возбуждения
2.6. Выводы
3. 1ИСЛИЕ ПРОГРАММЮГО ОБЕСПЕЧЕИЯ, Л АЛИЗ
УСТОЙЧИВОСТИ И АДИКВАТ ЮСТИ МОДЕЛИ
3.1. рограммпое обеспечение расчета машетропнмх приборов
3.1.1. Общие сведения о прорамме
3.1.2. Функциональное назначение прораммь
3.1.3. Требования к составу и параметрам технических средств
3.1.4. Структура прораммпо о комплекса
3.1.5. Описание входных данных
3.1.6. Описание выходных данных
.2. Описание расчетного блока
3.2.1. Алгоритм моделирования
3.2.2. Вычисление параметров
3.2.3. Задание начального состояния
3.2.4. Начальная копфшурация электронного облака
3.2.5. Начальные параметры электромагнитной волны
3.2.6. Расчет статических нолей
3.2.7. Расчет магнитных полей.
3.3. Проверка сходимости, устойчивости и адекват ност и модели
3.4. Выводы
4. Д АЛИЗ 1РОЩССОВ В МАПШТРО1ИЫХ 1 Н ШРАТОРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ и ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА.
4.1. Анализ влияния размеров торцевых экранов и копфиурации
магнитных полей па характер электронноволнового взаимодейс твия
4.2. Анализ распределения интенсивности бомбардировки анода и катода по высоте прибора.
4.3. Расчет токов утечки и анализ их предотвращения.
4.4. Анализ влияния размеров эмиссионного покрытия на характеристики магпетроипых генераторов.
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИИ
ЛИТЕРАТУРА


Известно, что трудности математического описания принципиально нелинейного процесса взаимодействия электронного потока с ВЧ волной в скрещенных полях приводят к необходимости введения в теорию различного рода упрощений и приближений. Разработка методов трехмерного моделирования, как представляется, способствовала бы как лучшему пониманию физических процессов, протекающих в скрещенных электрических и магнитных полях, так и решению практических задач проектирования приборов. Следует отмстить, что трехмерные модели приборов М-тииа предлагались и раньше (в работах Писаренко В. М., Рошаля A. C., Шейна А. Г., Шадрина A. A., Галаган A. B., Вислова В. И., Байбурина В. Б., Терентьева A. A., Поварова А. Б., Гаврилова М. В. и др. Вместе с тем они не позволяют учесть сложные граничные условия трехмерного пространства взаимодействия: при решении уравнения Пуассона и волнового уравнения реальные коифшурации электродов заменяются гладкими эквипотенциальными поверхностями, что снижает ценность теоретических результатов и их адекватность эксперименту. Таким образом, можно заключить, что компьютерное моделирование электронно-волнового взаимодействия в скрещенных полях с учетом грех пространственных измерений и реальных граничных условий пространства взаимодействия (наличие ламелей и межламельпого пространства, торцевых экранов и др. Цель работы: Разработка методов анализа и расчета характеристик магнетронного генератора па основе численной трехмерной модели и их применение для исследования физических процессов и совершенствования конструкции. Разработка численных методов решения трехмерных уравнений модели с учетом реальных ірапичпьіх поверхностей пространства взаимодействия. Разработка комплекса проблемно ориентированных программ для ЭВМ, реализующей основные модельные соотношения, применительно к магиетронным генераторам. Анализ различных физических явлений и выявление эффектов, связанных с трехмерной неоднородностью пространства взаимодейс твия. Поиск путей повышения эффективности приборов М-типа и внедрение программною комплекса в практику их разработки. Методы исследования. Численное решение основных уравнений модели проводилось с помощью метода «сеток», метода последовательных приближений (метода Зейдсля), метода конечных разностей, метода «крупных частиц», метода «однородного поля» на шаге численного итерирования и других численных методов. Достоверность. Достоверность полученных результатов основана на корректном применении методов численною моделирования и адекватности их натурным эксперимен там. Научная и практическая значимост ь. Научная значимость заключается в том, что разработанные методы решения основных уравнений модели, учитывающие реальные границы пространства взаимодействия, позволяют проводить качественный и количественный анализ физических процессов, ранее находившихся за пределами компьютерных исследований. Практическая значимость работы заключается в следующем. Разработанные па основе математической модели программы расчетов успешно внедрены в практику проектирования магнегроипых генераторов. Компьютерные расчеты позволили сократить количество промежуточных экспериментальных макетов и стоимость разработки, о чем имеется три акта внедрения. Математические модели и САПР ЭПУ СВЧ» кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государствен п ого тех и чес кого у п и вере и гета. Научная новизна работы. Развита трехмерная математическая модель магнетроппых генераторов, основанная на совместном решении уравнений Лапласа, Пуассона, волнового уравнения, уравнений движения и возбуждения, отличающаяся возможностью учета реальных фаничных условий пространства взаимодействия (наличие ламелей и межламельного пространства, торцевых полостей и экранов и др. Предложен и реализован метод решения трехмерного уравнения Пуассона, позволяющий учесть реальную структуру пространства взаимодействия и обладающий приемлемым для современной вычислительной техники быстродействием. Разработан комплекс проблемно ориентированных программ, реализующий разработанные трехмерную математическую модель и методы расчета и анализа магнетроппых генераторов.