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带状注扩展互作用速调管工程案例分享——教学案例
本教学案例针对煌沣电磁仿真软件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带状注扩展互作用速调管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
扩展互作用速调管（EIK）是一种微波电子管，用于产生、放大和调制微波信号。本例演示了如何采用电磁粒子模拟求解器对EIK高频结构进行模拟，实现电子注聚焦以及微波信号的放大。EIK的由多间隙输入腔和输出腔组成，中间由矩形谐振器连接。该结构仅由真空和PEC材料组成。EIK在输入腔入口处馈入激励信号，在输出腔处接收信号。粒子束由粒子面源定义，采用直流发射模式。此外定义了0.85T的恒定磁场，用于调控电子束的运动。
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“EIK”，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（-2.5，-0.175，-8.32），“长度(XC)”设为5，“宽度(YC)”设为0.35，“高度(ZC)”设为16.64，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（-2.9，-0.875，-2.88），“长度(XC)”设为5.8，“宽度(YC)”设为1.75，“高度(ZC)”设为0.16，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（2.9，-1.275，-6.24），“长度(XC)”设为0.6，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为3.68，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（3.5，-1.275，-4.72），“长度(XC)”设为1，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为0.64，点击“确定”完成第四个方体的建立；
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（4.5，-1.275，-5.04），“长度(XC)”设为2，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为1.28，点击“确定”完成第五个方体的建立；
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（-3.5，-1.275，-6.24），“长度(XC)”设为0.6，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为3.68，点击“确定”完成第六个方体的建立；
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（-2，-0.175，-9.32），“长度(XC)”设为4，“宽度(YC)”设为0.35，“高度(ZC)”设为1，点击“确定”完成第七个方体的建立；
直接点击工具条“阵列特征”图标，在界面上弹出的“阵列特征”对话框里的“选择特征”选择创建的第二个方块，“布局”选择线性，“指定矢量”选择“-ZC轴”，“数量”输入5，“间距”输入0.8，“复制或引用”选择复制参数并创建新特征；
点击工具条“平移”图标，在界面上弹出的“平移”对话框里的“目标对象”选择除方块1和方块7以外的所有方块，“类型”选择方向和距离，“指定矢量”选择“+ZC轴”，“距离”输入8.8，“变换”选择复制并平移。
点击工具条“属性”图标，在界面上弹出的“属性”对话框中“选择对象”选择除方块7以外的所有方块。将颜色设置为蓝色。
在“建模特征”一栏下找到方块7，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，其他方块材料为vacuum。
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，在该选项卡中可以根据电脑配置选择GPU加速（免费版暂不支持该功能），能够加速求解过程。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”，再点击下方矩形面，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”，再点击上方矩形面，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“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。
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。
点击解析磁场保持默认设置：
点击“粒子位置监视器 ”按钮，在弹出的“粒子位置监视器“对话框中勾选手动设置，结束时间设置为1，本案的粒子位置监视器参数如图所示：
点击“相空间监视器 ”按钮，在弹出的“相空间监视器“对话框中，将“横坐标”下的组件设置为Z，将“纵坐标”下的类型修改为速度，组件设置为Abs。开始时间设置为5，步进时间设置为0.1，勾选手动设置，结束时间设置为6，本案的相空间监视器参数如图所示：
点击“计算”按钮，在弹出的计算对话框中点击“激励列表”，本案的激励方式如图所示：
点击确定
在计算对话框里点击“确定”，即可启动计算。
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带状注扩展互作用速调管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
扩展互作用速调管（EIK）是一种微波电子管，用于产生、放大和调制微波信号。本例演示了如何采用电磁粒子模拟求解器对EIK高频结构进行模拟，实现电子注聚焦以及微波信号的放大。EIK的由多间隙输入腔和输出腔组成，中间由矩形谐振器连接。该结构仅由真空和PEC材料组成。EIK在输入腔入口处馈入激励信号，在输出腔处接收信号。粒子束由粒子面源定义，采用直流发射模式。此外定义了0.85T的恒定磁场，用于调控电子束的运动。
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“EIK”，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（-2.5，-0.175，-8.32），“长度(XC)”设为5，“宽度(YC)”设为0.35，“高度(ZC)”设为16.64，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（-2.9，-0.875，-2.88），“长度(XC)”设为5.8，“宽度(YC)”设为1.75，“高度(ZC)”设为0.16，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（2.9，-1.275，-6.24），“长度(XC)”设为0.6，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为3.68，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（3.5，-1.275，-4.72），“长度(XC)”设为1，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为0.64，点击“确定”完成第四个方体的建立；
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（4.5，-1.275，-5.04），“长度(XC)”设为2，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为1.28，点击“确定”完成第五个方体的建立；
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（-3.5，-1.275，-6.24），“长度(XC)”设为0.6，“宽度(YC)”设为2.55，“高度(ZC)”设为3.68，点击“确定”完成第六个方体的建立；
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（-2，-0.175，-9.32），“长度(XC)”设为4，“宽度(YC)”设为0.35，“高度(ZC)”设为1，点击“确定”完成第七个方体的建立；
直接点击工具条“阵列特征”图标，在界面上弹出的“阵列特征”对话框里的“选择特征”选择创建的第二个方块，“布局”选择线性，“指定矢量”选择“-ZC轴”，“数量”输入5，“间距”输入0.8，“复制或引用”选择复制参数并创建新特征；
点击工具条“平移”图标，在界面上弹出的“平移”对话框里的“目标对象”选择除方块1和方块7以外的所有方块，“类型”选择方向和距离，“指定矢量”选择“+ZC轴”，“距离”输入8.8，“变换”选择复制并平移。
点击工具条“属性”图标，在界面上弹出的“属性”对话框中“选择对象”选择除方块7以外的所有方块。将颜色设置为蓝色。
在“建模特征”一栏下找到方块7，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，其他方块材料为vacuum。
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，在该选项卡中可以根据电脑配置选择GPU加速（免费版暂不支持该功能），能够加速求解过程。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”，再点击下方矩形面，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”，再点击上方矩形面，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。
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。
点击解析磁场保持默认设置：
7.监视器设置
点击“粒子位置监视器 ”按钮，在弹出的“粒子位置监视器“对话框中勾选手动设置，结束时间设置为1，本案的粒子位置监视器参数如图所示：
点击“相空间监视器 ”按钮，在弹出的“相空间监视器“对话框中，将“横坐标”下的组件设置为Z，将“纵坐标”下的类型修改为速度，组件设置为Abs。开始时间设置为5，步进时间设置为0.1，勾选手动设置，结束时间设置为6，本案的相空间监视器参数如图所示：
8. 启动计算
点击“计算”按钮，在弹出的计算对话框中点击“激励列表”，本案的激励方式如图所示：
点击确定
在计算对话框里点击“确定”，即可启动计算。
9. 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。