行波管慢波结构的高效有限元本征分析算法研究

Traveling-wave tubes(TWT) are widely applied as the core electron devices in many fields such as the space communication, the radar and the electronic countermeasures equipment.The slow-wave structure(SWS) is one of the most important parts in the TWT,where the electron beam and the electromagnetic wave interacts each other. The performance of the SWS directly affect the badwidth, gain, output power, efficiency and any other performance of the TWT.As the requirement of the performnce of the TWT improves, the efficiency and performance of the SWS are also required to be improved. However,the design of high-efficent and high-performance SWS eagerly demands more accurate, more efficient and more robust three-dimensional eigenanlysis algorithm. The research works of this project are focus on the high efficient finite-element eigenanalysis algorithm for SWS in TWT. The main research include 1) hybrid p-type multigrid-multifrontal block ILU preconditioner; 2) adaptive model-order reduction for phase shift/frequency; 3) adaptive parameterized model-order reduction. Through our research, the accurate, efficient and parameterized optimization of the SWS will be achieved. The research work will benefit the development of high pefremance TWT very much.

[研究意义]：行波管作为核心电子器件被广泛应用于卫星通信、雷达、电子对抗等领域。慢波结构作为电子注和电磁波相互作用进行能量交换的场所是行波管中最核心的部件。慢波结构的性能将直接影响行波管的工作频率、带宽、换能效率和输出功率等一系列性能指标。随着军用和民用领域对行波管性能要求越来越高，慢波结构的性能要求也随之提高，而设计出高效率和高性能的慢波结构则迫切地需要更加精确、更加高效和更加稳定的三维本征分析算法。 [研究内容]：本项目拟对慢波结构的高效有限元本征算法进行深入系统研究。主要研究慢波结构有限元本征分析中1）混合p型多重网格-多波前块ILU分解预处理方法；2）自适应相移/频率模型降阶理论；3）自适应参数化模型降阶理论。通过上述研究，能够实现慢波结构的高精度、高效率、多参量的优化仿真，为高性能的行波管研制提供理论和技术支撑。

本项目在p型多重网格预处理的基础上引入多波前块不完全LU分解（简称 ILU分解），形成一种混合p型多重网格-多波前块ILU预处理方法，在慢波结构本征求解时此方法为内部系数矩阵迭代提供一种高效的预处理方法。混合p型多重网格-多波前块ILU预处理方法中的多波前ILU分解中消去树不同分支上的子树是相互独立的，因此可以在树的层次上获得更大粒度的并行，这是提升慢波结构有损耗本征分析整体效率的关键。本项目研究了慢波结构有限元本征分析中的自适应相移/频率模型降阶理论，提出自适应多展开点的有限元本征分析模型降阶理论，大大提高了模型降阶的精度,项目主要研究自适应误差估计和自适应多展开点方法。采用模型降阶方法可以将原数值模型缩减为低阶更小模型，一旦低阶更小模型获得后，就能非常迅速地处理频率扫描或者相移扫描的本征分析。在慢波结构有限元本征分析中相移/频率模型降阶理论的基础上研究了自适应参数化模型降阶理论，主要对几何参数模型降阶理论进行更深入的研究。采用参数化模型降阶理论，可用于迅速地处理多几何参数扫描的本征分析，从而实现慢波结构的快速优化设计。本项目实现了能够在个人计算机上实现真正的高效率、高精度、多参量的慢波结构有限元本征分析，为我国高性能的行波管研制提供理论和技术支撑。.本项目实施过程中，在国内外期刊和本领域重要的国际会议上发表论文35篇，其中期刊论文11篇。培养研究生21名。申请国家专利11项其中授权6项。本项目的相关成果现已集成到项目负责人所在科研团队研发的我国第一套具有完全自主知识产权的微波管全三维电磁仿真软件：三维“微波管模拟器套装”（简称MTSS）。MTSS在我国微波管各研制单位已逐步取代商业软件，成为我国行波管核心设计软件之一，为我国高效率超宽带行波管的成功研制做出了重要贡献，因此本项目成果作为高效率超宽带行波管关键技术及应用项目的主要组成部分获得2014年国家科技进步二等奖。