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阻抗变换器工程案例分享——教学案例
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本教学案例针对煌沣电磁仿真软件V1.0免费版的初学者利用电磁粒子模拟求解器进行仿真而设计的。本案例通过建模、设置、求解和结果分析等过程来计算阻抗变换器的二次电子发射过程。根据本案例的指导，你将学会如何应用煌沣电磁仿真软件V1.0免费版完成下面的各项任务。
(1)几何建模
(2)材料二次电子属性设置
(3)参数设置
(4)网格设置
(5)粒子源设置
(6)设置检查
(7)求解
(8)查看结果
1.1电磁粒子模拟求解器
煌沣电磁仿真软件V1.0免费版包含电磁粒子模拟求解器，该求解器的特点如下：该求解器用于计算有源器件中带电粒子与电磁场间的相互作用及二次电子发射现象。根据设置的粒子源、电磁场以及网格等基本参数，完成粒子在电磁场运动过程的计算，并展现粒子对电磁场的反馈，实现真空电子器件的设计、高功率微波器件的微放电现象模拟等功能。
阻抗变换器是一种用于解决传输线与微波器件之间负载不匹配问题的高功率微波器件。在实际的应用中，阻抗变换器一般可以分为3种类型，分别为波导型、同轴线型和微带线型，其基本原理均是通过将负载阻抗变换到和馈线阻抗一致，以满足阻抗匹配的要求。在卫星设备中，由于环境影响，阻抗变换器内部不可避免的会产生一些自由电子，这些自由电子在电磁场的作用下会撞击器件表面，形成二次电子发射现象。当微波场能量足够高时，就会产生微放电现象，对器件的正常工作造成影响。模拟仿真器件的二次电子发射现象，得到其微放电阈值，对提升微波系统工作的稳定性具有重要意义。下面主要介绍微放电的一些基本概念：
二次电子发射模型：计算电子在打到器件内壁后产生的二次电子数目和能量分布的算法。主要包括Vaughan模型和Furman模型。
微放电：指电子在器件内部不断撞击表面释放二次电子而形成的二次电子倍增现象。
微放电阈值:指不会激发微放电现象的最大输入功率。
1.2本案例介绍
本案例采用煌沣电磁仿真软件v1.0电磁粒子模拟求解器，仿真目标为阻抗变换器，阻抗变换器具有两个波导端口，从内部一个面入射一定数量的种子电子。阻抗变换器的中心频率为9.5GHz，工作频段为8-11GHz，分析该阻抗变换器在不同输入功率下电子数目随时间的变化情况。该案例模型的选择尽量简单，以保证求解时间短，同时又能说明该模式的仿真方法和步骤，让初学者尽快熟悉用该求解器能解决的问题和用煌沣电磁仿真软件仿真的基本流程。
1.3案例仿真流程
创建和仿真阻抗变换器工程的一般流程总结如下：
1.创建工程
2.建立计算模型
3.参数设置
4.网格设置
5.粒子源设置
6.启动计算
7.查看计算结果
启动软件，打开“粒子模拟求解器”，然后点击“保存”，在弹出的对话框内输入工程名称为“filter”，选择工程路径，点击“确定”即可创建工程。
3.1建立模型
点击“建模”，进入建模界面，建立计算模型：
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，-0.255，0），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-0.96，“高度(ZC)”设为10，点击“确定”完成第一个方体的建立；
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，0.255，10），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-1.98，“高度(ZC)”设为10，点击“确定”完成第二个方体的建立；
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，1.985，20），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-5.44，“高度(ZC)”设为10，点击“确定”完成第三个方体的建立；
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，3.265，30），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-8.5，“高度(ZC)”设为5，点击“确定”完成第四个方体的建立；
直接点击工具条“矩形面”图标，在界面上弹出的“矩形面”对话框里的“指定点”设置（11.43，-1.215，5），“X”设为10，“Y”设为10，点击“确定”完成矩形面的建立；
直接点击工具条“布尔运算”图标，在界面上弹出的“布尔运算”对话框里的“目标体”选择创建的第二个方块，“工具体”选择创建的第三、四个方块，“类型”选择并运算，其他设置保持默认设置，点击“确定”完成布尔操作；在“建模特征”一栏下找到该体对应的模型树，右击，选择“修改材料”，点击后在新弹出的界面选择“pec”，点击“确定选择”，将该体材料改为pec。
直接点击工具条“镜像”图标，在界面上弹出的“镜像”对话框里的“目标对象”选择布尔操作后的模型，“镜像面”选择创建的矩形，“变化”选择复制并镜像，点击“确定”完成镜像操作；以同样的方式将该体的材料变为pec。
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（-11.43，-5.235，-20），“长度(XC)”设为22.86，“宽度(YC)”设为8.5，“高度(ZC)”设为50，点击“确定”完成第五个方体的建立；
直接点击工具条“布尔运算”图标，在界面上弹出的“布尔运算”对话框里的“目标体”选择创建的第五个方块，“工具体”选择创建的第一个方块、第一次布尔运算产生的模型、镜像后产生的模型，“类型”选择差运算，“保留工具体”选择保留，其他保持默认设置，点击“确定”完成布尔操作；
直接点击工具条“布尔运算”图标，在界面上弹出的“布尔运算”对话框里的“目标体”选择创建的第二次布尔操作后产生的模型，“工具体”选择创建的矩形面，“类型”选择差运算，其他保持默认设置，点击“确定”完成布尔操作；
3.2.设置材料二次电子发射属性
右击“pec”，点击“修改材料”
在弹出的对话框里，将“pec”的“二次电子”一栏下拉，点击“新建二次电子”；
在“二次电子”对话框内部，将“二次电子类型”下拉点击“Vaughan”;
点击“确定”，完成二次电子设置。
4.1. 单位、参数、背景及边界设置
点击“单位”按钮，进行单位设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置单位。
点击“参数”按钮，进行部分计算参数的设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置参数。
点击“背景”按钮，进行背景材料的设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置背景。
点击“边界”按钮，进行边界的设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置边界。
4.2.波导端口及激励源设置
点击“波导端口”，再左击右侧矩形面，将该矩形面设为波导端口1，具体端口位置如下图：
点击“确定”即可设置波导端口1。
点击“波导端口”，再左击左侧矩形面，将该矩形面设为波导端口2，具体端口位置如下图：
点击“确定”即可设置波导端口2。
点击“激励信号”按钮，设置输入信号，本案例输入信号具体参数如下：
点击“确定”即可设置信号。
点击“激励选择”按钮，设置激励方式、输入端口及信号功率，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置。
5.网格设置
点击“网格设置”按钮，设置网格参数，本案例具体网格参数如下：
点击“确定”即可设置网格。
6.粒子源设置
我们用电子源作为粒子源，发射基于高斯发射模型。由于粒子束定义在矩形体表面，因此可以使用粒子面源。
点击粒子面源，出现如下所示对话框。点击所要加载粒子源的物体，在对话框中设定发射数值，设定完成后，点击确定，粒子源加载成功。值得一提的是，若模型较为复杂，难以选中某个物体，用户可在建模特征栏中隐藏其它物体。
软件支持多种PIC发射模型，包括直流发射，高斯发射，场发射和爆炸发射，动力分布支持均匀分布和麦克斯韦分布，动力类型可选能量，速度等。用户可通过改变加密因子调整发射粒子数目，并通过预览查看发射方向和发射粒子数目。另外，软件默认发射粒子为电子，但支持用户自定义粒子。点击粒子属性->电子->从粒子库中选择，会弹出如下对话框，用户可在此设置粒子属性。
7.启动计算
点击“计算 ”按钮，即弹出计算对话框，在计算对话框里点击“确定”，即可启动计算。
8.查看结果
PIC仿真结果在后处理模块中查看。后处理提供一维结果，二维/三维结果。一维结果默认提供端口信息，粒子数随时间变化等结果，二维/三维结果提供电磁场分布和粒子相空间分布。
点击一维结果->求解器统计[PIC]->粒子随时间变化，软件会在视图区展示宏粒子数目随时间的变化情况，如下图所示。用户可在一维图属性中设置坐标范围，对数展示等。
点击二维/三维结果->粒子位置监视器->粒子预览，软件会在视图区展示最终时刻的粒子位置分布，如下图所示。用户可在二维/三维图属性中设置坐标范围，选择粒子速度、动量等结果进行展示。若用户在仿真界面中定义了粒子位置监视器，用户可在此处点击播放动画，查看粒子位置随时间演化情况。
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1.概述
本教学案例针对煌沣电磁仿真软件V1.0免费版的初学者利用电磁粒子模拟求解器进行仿真而设计的。本案例通过建模、设置、求解和结果分析等过程来计算阻抗变换器的二次电子发射过程。根据本案例的指导，你将学会如何应用煌沣电磁仿真软件V1.0免费版完成下面的各项任务。
(1)几何建模
(2)材料二次电子属性设置
(3)参数设置
(4)网格设置
(5)粒子源设置
(6)设置检查
(7)求解
(8)查看结果
1.1电磁粒子模拟求解器
煌沣电磁仿真软件V1.0免费版包含电磁粒子模拟求解器，该求解器的特点如下：该求解器用于计算有源器件中带电粒子与电磁场间的相互作用及二次电子发射现象。根据设置的粒子源、电磁场以及网格等基本参数，完成粒子在电磁场运动过程的计算，并展现粒子对电磁场的反馈，实现真空电子器件的设计、高功率微波器件的微放电现象模拟等功能。
阻抗变换器是一种用于解决传输线与微波器件之间负载不匹配问题的高功率微波器件。在实际的应用中，阻抗变换器一般可以分为3种类型，分别为波导型、同轴线型和微带线型，其基本原理均是通过将负载阻抗变换到和馈线阻抗一致，以满足阻抗匹配的要求。在卫星设备中，由于环境影响，阻抗变换器内部不可避免的会产生一些自由电子，这些自由电子在电磁场的作用下会撞击器件表面，形成二次电子发射现象。当微波场能量足够高时，就会产生微放电现象，对器件的正常工作造成影响。模拟仿真器件的二次电子发射现象，得到其微放电阈值，对提升微波系统工作的稳定性具有重要意义。下面主要介绍微放电的一些基本概念：
二次电子发射模型：计算电子在打到器件内壁后产生的二次电子数目和能量分布的算法。主要包括Vaughan模型和Furman模型。
微放电：指电子在器件内部不断撞击表面释放二次电子而形成的二次电子倍增现象。
微放电阈值:指不会激发微放电现象的最大输入功率。
1.2本案例介绍
本案例采用煌沣电磁仿真软件v1.0电磁粒子模拟求解器，仿真目标为阻抗变换器，阻抗变换器具有两个波导端口，从内部一个面入射一定数量的种子电子。阻抗变换器的中心频率为9.5GHz，工作频段为8-11GHz，分析该阻抗变换器在不同输入功率下电子数目随时间的变化情况。该案例模型的选择尽量简单，以保证求解时间短，同时又能说明该模式的仿真方法和步骤，让初学者尽快熟悉用该求解器能解决的问题和用煌沣电磁仿真软件仿真的基本流程。
1.3案例仿真流程
创建和仿真阻抗变换器工程的一般流程总结如下：
1.创建工程
2.建立计算模型
3.参数设置
4.网格设置
5.粒子源设置
6.启动计算
7.查看计算结果
2.创建工程
启动软件，打开“粒子模拟求解器”，然后点击“保存”，在弹出的对话框内输入工程名称为“filter”，选择工程路径，点击“确定”即可创建工程。![]()
3.建立计算模型
3.1建立模型
点击“建模”，进入建模界面，建立计算模型：
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，-0.255，0），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-0.96，“高度(ZC)”设为10，点击“确定”完成第一个方体的建立；
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，0.255，10），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-1.98，“高度(ZC)”设为10，点击“确定”完成第二个方体的建立；
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，1.985，20），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-5.44，“高度(ZC)”设为10，点击“确定”完成第三个方体的建立；
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（11.43，3.265，30），“长度(XC)”设为-22.86，“宽度(YC)”设为-8.5，“高度(ZC)”设为5，点击“确定”完成第四个方体的建立；
直接点击工具条“矩形面”图标，在界面上弹出的“矩形面”对话框里的“指定点”设置（11.43，-1.215，5），“X”设为10，“Y”设为10，点击“确定”完成矩形面的建立；
直接点击工具条“布尔运算”图标，在界面上弹出的“布尔运算”对话框里的“目标体”选择创建的第二个方块，“工具体”选择创建的第三、四个方块，“类型”选择并运算，其他设置保持默认设置，点击“确定”完成布尔操作；在“建模特征”一栏下找到该体对应的模型树，右击，选择“修改材料”，点击后在新弹出的界面选择“pec”，点击“确定选择”，将该体材料改为pec。
直接点击工具条“镜像”图标，在界面上弹出的“镜像”对话框里的“目标对象”选择布尔操作后的模型，“镜像面”选择创建的矩形，“变化”选择复制并镜像，点击“确定”完成镜像操作；以同样的方式将该体的材料变为pec。
直接点击工具条“方块”图标，在界面上弹出的“方块”对话框里的“指定点”设置（-11.43，-5.235，-20），“长度(XC)”设为22.86，“宽度(YC)”设为8.5，“高度(ZC)”设为50，点击“确定”完成第五个方体的建立；
直接点击工具条“布尔运算”图标，在界面上弹出的“布尔运算”对话框里的“目标体”选择创建的第五个方块，“工具体”选择创建的第一个方块、第一次布尔运算产生的模型、镜像后产生的模型，“类型”选择差运算，“保留工具体”选择保留，其他保持默认设置，点击“确定”完成布尔操作；
直接点击工具条“布尔运算”图标，在界面上弹出的“布尔运算”对话框里的“目标体”选择创建的第二次布尔操作后产生的模型，“工具体”选择创建的矩形面，“类型”选择差运算，其他保持默认设置，点击“确定”完成布尔操作；
3.2.设置材料二次电子发射属性
右击“pec”，点击“修改材料”
在弹出的对话框里，将“pec”的“二次电子”一栏下拉，点击“新建二次电子”；
在“二次电子”对话框内部，将“二次电子类型”下拉点击“Vaughan”;
点击“确定”，完成二次电子设置。
4.参数设置
4.1. 单位、参数、背景及边界设置
点击“单位”按钮，进行单位设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置单位。
点击“参数”按钮，进行部分计算参数的设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置参数。
点击“背景”按钮，进行背景材料的设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置背景。
点击“边界”按钮，进行边界的设置，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置边界。
4.2.波导端口及激励源设置
点击“波导端口”，再左击右侧矩形面，将该矩形面设为波导端口1，具体端口位置如下图：
点击“确定”即可设置波导端口1。
点击“波导端口”，再左击左侧矩形面，将该矩形面设为波导端口2，具体端口位置如下图：
点击“确定”即可设置波导端口2。
点击“激励信号”按钮，设置输入信号，本案例输入信号具体参数如下：
点击“确定”即可设置信号。
点击“激励选择”按钮，设置激励方式、输入端口及信号功率，本案例具体参数如下：
点击“确定”即可设置。
5.网格设置
点击“网格设置”按钮，设置网格参数，本案例具体网格参数如下：
点击“确定”即可设置网格。
6.粒子源设置
我们用电子源作为粒子源，发射基于高斯发射模型。由于粒子束定义在矩形体表面，因此可以使用粒子面源。
点击粒子面源，出现如下所示对话框。点击所要加载粒子源的物体，在对话框中设定发射数值，设定完成后，点击确定，粒子源加载成功。值得一提的是，若模型较为复杂，难以选中某个物体，用户可在建模特征栏中隐藏其它物体。
软件支持多种PIC发射模型，包括直流发射，高斯发射，场发射和爆炸发射，动力分布支持均匀分布和麦克斯韦分布，动力类型可选能量，速度等。用户可通过改变加密因子调整发射粒子数目，并通过预览查看发射方向和发射粒子数目。另外，软件默认发射粒子为电子，但支持用户自定义粒子。点击粒子属性->电子->从粒子库中选择，会弹出如下对话框，用户可在此设置粒子属性。
7.启动计算
点击“计算 ”按钮，即弹出计算对话框，在计算对话框里点击“确定”，即可启动计算。
8.查看结果
PIC仿真结果在后处理模块中查看。后处理提供一维结果，二维/三维结果。一维结果默认提供端口信息，粒子数随时间变化等结果，二维/三维结果提供电磁场分布和粒子相空间分布。
点击一维结果->求解器统计[PIC]->粒子随时间变化，软件会在视图区展示宏粒子数目随时间的变化情况，如下图所示。用户可在一维图属性中设置坐标范围，对数展示等。
点击二维/三维结果->粒子位置监视器->粒子预览，软件会在视图区展示最终时刻的粒子位置分布，如下图所示。用户可在二维/三维图属性中设置坐标范围，选择粒子速度、动量等结果进行展示。若用户在仿真界面中定义了粒子位置监视器，用户可在此处点击播放动画，查看粒子位置随时间演化情况。