等离子体填充螺旋线行波管三维时域粒子模拟及优化设计

• 作 者: 熊晓燕
• 机 构: 北京大学
• 出 处: 北京大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 螺旋线行波管 粒子模拟 时域有限差分法 等离子体模拟 粒子群优化算法

螺旋线行波管有着无与伦比的增益、效率和带宽优势，广泛应用于雷达、电子对抗和通讯等领域。现代科技的发展对行波管的性能提出了更高的要求。深入研究行波管注-波互作用过程，探索等离子体填充对行波管性能改善的原理并开发精确的行波管计算机仿真代码对提高行波管性能，缩短研制周期，降低研制成本具有重要意义。本论文对相关问题分别进行了研究和分析。主要工作内容包括：　　
(1)研究了时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain，FDTD)和粒子模拟方法(Particle in Cell，PIC)的基本原理。完成了全部公式推导，给出了算法的计算流程。结合两种方法，开发了三维时域电磁粒子模拟代码(3D-FDTD-PIC)，建立了行波管的仿真平台。　　
(2)设计了用于仿真的C波段螺旋线行波管冷腔参数。运用3D-FDTD-PIC代码对该行波管进行冷腔和热腔仿真。通过调整输入输出端口处螺旋线的螺距以及对同轴内导体进行均匀渐变处理有效改善了行波管输能装置的匹配。通过分析螺旋线慢波结构中的场值，得到慢波速度近似计算方法。通过粒子模拟方法仿真了行波管注-波互作用，并对螺旋线行波管中的注-波互作用过程进行了详细分析，得到了管子的输出功率和增益等性能指标及电子的速度和位置分布等信息。　　
(3)首次将三维时域粒子模拟方法应用到螺旋线行波管中等离子体的模拟，开发了等离子体填充螺旋线行波管的计算模块。通过对等离子体中平面波的模拟，验证了等离子体粒子模拟算法的正确性。讨论了不同密度和不同聚焦磁场下，等离子体的加入对螺旋线行波管中场的影响以及对行波管整体性能的影响。　　
(4)介绍了多目标粒子群优化算法(Multi-object Particle Swarm Optimization，MOPSO)的原理和数学实现，并利用典型函数对算法进行了测试。分析了螺旋线行波管中各参数对其性能的影响，并将行波管中物理模型和多目标优化算法相结合，增加了3D-FDTD-PIC代码的多参数多目标优化功能模块。