分布互作用器件(Extended Interaction Device,EID)是一類結(jié)合了速調(diào)管和行波管優(yōu)點(diǎn)的真空電子器件,在毫米波至太赫茲波段已經(jīng)成為重要的高功率源器件。如何獲取高頻率、寬帶寬、高功率與高效率一直是高頻段微波器件的研究重點(diǎn),但是分布互作用器件各個(gè)目標(biāo)之間的最優(yōu)取值會(huì)因?yàn)榭陀^條件而彼此制約。本文基于一維非線性自洽理論,以W波段分布互作用振蕩器(Extended InteractionOscillator,EIO)為例,圍繞其輸出功率、效率、帶寬以及周期個(gè)數(shù)等相關(guān)主題開展模擬分析與優(yōu)化設(shè)計(jì),主要完成了以下幾方面的工作:(1)基于電子圓盤注-波互作用方程和能量守恒基本原理,結(jié)合分布互作用振蕩器的冷測(cè)參數(shù),得到了自洽非線性理論模型,并以W波段,7間隙振蕩器為例進(jìn)行計(jì)算模擬,討論了振蕩器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)對(duì)其輸出功率、電子轉(zhuǎn)化效率及起振時(shí)間的影響。(2)基于非支配排序遺傳算法Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithms,簡(jiǎn)稱NSGA-Ⅱ),將分布互作用振蕩器優(yōu)化等效為多目標(biāo)優(yōu)化問題,完成了決策向量,解向量的構(gòu)建,并將一維非線性程序與NSGA-Ⅱ算法結(jié)合,得到了分布互作用振蕩器輸出性能的全局優(yōu)化程序,分析了在周期結(jié)構(gòu)下,不同參數(shù)數(shù)量與目標(biāo)數(shù)量下的優(yōu)化結(jié)果及參量分布規(guī)律,跳出了單個(gè)目標(biāo)局部?jī)?yōu)化的限制,得到了具有處理分布互作用振蕩器多維復(fù)雜問題能力的全局優(yōu)化算法,從而有效解決了其輸出功率、效率、帶寬等多個(gè)目標(biāo)共渡性問題。(3)根據(jù)全局優(yōu)化程序得到6間隙分布互作用振蕩器結(jié)構(gòu)工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù),其輸出功率為2065W,轉(zhuǎn)化效率為25.2%,并利用CST對(duì)該優(yōu)化結(jié)構(gòu)建模,進(jìn)行PIC仿真驗(yàn)證,最終得到輸出功率為1893W,轉(zhuǎn)化效率為22.7%的高頻結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了分布互作用振蕩器全局優(yōu)化的可行性。
【學(xué)位單位】：北方工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN752
【部分圖文】：

離散分布在這些網(wǎng)格上，利用計(jì)算技術(shù)跟蹤大量粒子在第一原理描述的“真實(shí)力”??卜的運(yùn)動(dòng)，再對(duì)組成物體的大量微觀粒子特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，從而得到宏觀物體??的特質(zhì)特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其主要計(jì)算過程如下圖１－６所示［Ｈ１。??［卜溫■丨－卜；則??蒙特卡洛碰Ｌ?粒子邊界處??撞處理?理??圖１－６?ＰＩＣ兌法流程圖??真空電子器件屮電磁場(chǎng)的分布滿足Ｍａｘｗｅｌｌ方程組，為求解Ｍａｘｗｅｌｌ方程組，??采用將方程組的積分形成（式１－１和式１－２）在Ｙｅｅ?Ｎ格屮離散的方法，根掂其吋域??冇限差分（ＴＯＴＤ）方程來求解，式１－３和１－４為丨ｌｌ磁場(chǎng)量在網(wǎng)格上的積分離散量，??５??

??ｔ＝ｔ－ｔ?ｓｔｅｏ??圖３－丨一維非線性程序流程圖??由于計(jì)算理論基于電子圓盤模型，所以電子圓盤數(shù)量的選擇會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，??下圖３－２為電子圓盤數(shù)目對(duì)輸出功率的計(jì)算影響，可以看出電子圓盤數(shù)目過少時(shí)，??程序計(jì)算與ＣＳＴ仿真數(shù)據(jù)相差較大，隨著圓盤數(shù)目的增加，差值不斷減小，從??４０個(gè)圓盤開始，程序計(jì)算與ＣＳＴ仿真差值最小，并且基本不再變化，考慮到圓??盤數(shù)目越多程序運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，因此綜合考慮程序計(jì)算的準(zhǔn)確度和運(yùn)行時(shí)間，本??文選擇圓盤數(shù)目為４０來進(jìn)行程序模擬計(jì)算。又因?yàn)槲覀儾捎谬埜駧焖ń馕⒎??方程，因此時(shí)間步長(zhǎng)的選擇也會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響，本文選取時(shí)間步長(zhǎng)為高頻電場(chǎng)??周期的１／２００。??２１??

第三章基于一維非線性理論的程序模擬與分析??假設(shè)其它參數(shù)一定，改變工作電壓得到輸出功率隨吋間變化曲線，如圖３－３??所示�？梢钥闯觯�(dāng)電壓Ｋ〇＝１４ｋＶ和ｌ＾＝１９ｋＶ時(shí)輸出功率為０，也就是振蕩器沒??有起振；當(dāng)直流電壓在１５ｋＶ和１８ｋＶ之間吋，振蕩器有明顯功率輸出。根據(jù)慢??波結(jié)構(gòu)屮注－波卩彳步與規(guī)合基本原理，當(dāng)電子速度與２３１模…次諧波的相速相等時(shí)，??即Ｖ〇?＝?Ｕｐ時(shí)，才可能發(fā)生有效互作用，此吋計(jì)算得到同步電壓６?＝??１４．４３ｋＶ，并且僅當(dāng)直流電壓７。大于１４．４３ｋＶ時(shí)，電子速度略大于模相速，電??丫－注釋放能Ｍ：給諧振腔，振蕩器才苻可能起振；，電壓％＝１６ｋＶ吋，振蕩器到達(dá)??穩(wěn)記輸出功率時(shí)間Ｍ短為７ｎｓ左右，輸出功率為９０３Ｗ，效率僅為１１．３％，隨著??屯吒升高
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本文編號(hào)：2883466