Конференции ИВТ СО РАН

Тезисы докладов

Математическое моделирование

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) 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. и по сегодняшний день в мире было выпущено несколько тысяч работ, посвященных различным его аспектам. Существуют подробные обзоры, созданы специализированные библиографические базы данных, вышли монографии. К сожалению, публикации отечественных авторов по данной тематике весьма немногочисленны, 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, IRE), 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, CFDTD, MAGIC, GdfidL), 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 разработанный пакет планируется использовать и для моделирования генераторов и усилителей СВЧ диапазона с электронным пучком – ЛБВ, ЛОВ, клистронов, гиротронов.

Целью настоящей работы является решение ряда практических задач, связанных с исследованием электродинамических систем электронных СВЧ приборов, имеющих граничные условия со сложной геометрией, условия излучения и нестационарные режимы работы. Работа включает в себя разработку собственных программных средств и модификацию метода численного моделирования уравнений Максвелла FDTD.

Основные результаты состоят в следующем:

- Исследованы дисперсионные характеристики круглого волновода с глубокой винтовой гофрировкой. Получены структура поля рабочих мод и дисперсионная кривая с точностью более высокой, чем в наиболее точных известных расчетах.

- С помощью импульсов с широким частотным спектром исследован волноводный преобразователь мод ТМ01-ТЕ11 круглого волновода. Определена характерная длительность импульса, выше которой преобразователь сохраняет требуемую способность трансформации поперечной структуры проходящего излучения. Исследовано влияние ширины частотного спектра импульса на его модовый состав на выходе из преобразователя. Исследованы эффекты, связанные с возбуждением резонансных мод в преобразователе.

- Исследованы сложные эффекты дифракции поля на козырьке основного элемента открытого преобразователя низших волноводных мод в гауссов пучок – эффекты кроссполяризации, а также эффекты «фокусировки» поперечной структуры поля участками гофрированного волновода, вызывающими существенное искажение фазового фронта излучения.

- Предложена модификация поглотителя UPML для численного метода FDTD, позволяющая повысить его эффективность вплоть до значений коэффициента отражения -80дБ при толщине слоя 5 ячеек в широком диапазоне частот, углов падения и поперечных структур падающего излучения. Разработанная модификация поглотителя является экономичной по отношению к вычислительным ресурсам (снижение производительности расчета составляет порядка единиц процентов в характерных практических задачах).

Разработанная методика и полученные результаты использованы:

- в конструкции гиро-ЛБВ, реализованной в ИПФ РАН / НПП «ГИКОМ»,

- при проведении эксперимента по вынужденному рассеянию излучения релятивистской ЛОВ, ИЭФ УрО РАН (Екатеринбург),

- для повышения эффективности разрабатываемых в ИПФ РАН / НПП «ГИКОМ» открытых волноводных преобразователей мод в гауссов пучок. В ходе работ автором разработано программное обеспечение нестационарного численного моделирования трехмерных электродинамических систем.

Примечание. Тезисы докладов публикуются в авторской редакции

Ваши комментарии Обратная связь

[Головная страница] [Конференции]

© 1996-2000, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 1996-2000, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск