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电子回旋脉塞 (electron cyclotron resonate maser, ECRM) 的研究和发展,是微波电子学中的一个重大突破,推动了一大类新型高功率毫米波、亚毫米波器件——回旋管的诞生。回旋管可填补传统微波器件和激光器在毫米波和亚毫米波段的缺口[1],其波段也可发展到太赫兹波领域。当工作波段位于太赫兹波段时,微小的工作波长将导致回旋脉塞结构尺寸的进一步缩小。因此,太赫兹回旋脉塞的工作性能对结构参数非常敏感,这对数值模拟的模型及算法精度提出了很高的要求。
另一方面,粒子模拟方法 (PIC) 是一种使用计算机来模拟电磁场与粒子相互作用问题的数值模拟方法。从电磁场算法上来看,该方法采用时域有限差分算法[2](finite difference time domain, FDTD),FDTD直接从概括电磁场普遍规律的麦克斯韦旋度方程出发,将其转换为差分方程组,是在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样。因此,它是对电磁场问题的最原始、最本质、最完备的数值模拟,具有较广泛的适用性。从粒子算法上来看,PIC方法从洛伦兹、动量、冲量等定律出发来描述粒子在电磁场中的运动,其所计算的粒子运动行为是全面的,继而更能反映出实际的粒子运动规律。也正是因为PIC方法的以上特点,目前许多电真空微波源的研究者都将其作为数值模拟的首选方法。然而PIC方法中FDTD算法采用的是YEE网格模型,其在复杂边界建模上与实际结构的差异将可能降低模拟精度 (主要体现在阶梯近似误差和网格数值色散误差),这在对结构参数较敏感的太赫兹回旋脉塞的模拟中是致命的。虽然阶梯近似误差和网格数值色散误差随着网格尺寸的减小而减小,但是网格尺寸的减小会使在模拟一定物理空间所需的总网格数急剧增加,以及保证算法稳定性所需的时间步长急剧减小,从而导致计算机所需存储空间和CPU计算时间急剧增大。
综上所述,要对太赫兹回旋脉塞进行准确高效的粒子模拟,必须对PIC方法中的FDTD算法有所改进。目前,国内外研究者采取的改进方法主要有3种途径:1) 加入并行算法;2) 采用交替隐式差分算法;3) 采用共形方法。并行算法通过多线程协作的方式来提高运算速度,但其缺点是随着线程数的增加,并行加速比将趋于饱和[3]。交替隐式差分方法通过放大时间步长的方法来提高运算速度,但时间步长增长将导致粒子运算的不稳定性[4]。共形方法[5]能在较大网格尺寸情况下,保证建模的准确性,从而以较快的运算速度得到较准确的模拟结果。目前,该方法在计算电磁散射等问题中得到广泛应用,但在粒子模拟领域使用较少。
Research of Terahertz Cyclotron Oscillator Particle Simulation
doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2017.02.009
- Received Date: 2016-01-30
- Rev Recd Date: 2016-07-05
- Publish Date: 2017-03-01
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Key words:
- conformal grid /
- cut-off frequency /
- cyclotron oscillator /
- particle-in-cell simulation /
- terahertz waves
Abstract: The calculation errors of particle-in-cell (PIC) method at the conformal boundary are analyzed, especially for the conformal boundary at the THz cyclotron oscillator. The condition of stability and two general treatment methods for the conformal grid are put forward. And the stability and accuracy of these two conformal treatment methods are analyzed. Based on these analysis, an adaptive conformal cell subdivision method is developed. With this method, the problems of the limitation of the conformal grid are solved. The method is implemented on the electromagnetic particle simulation software CHIPIC and is verified by simulating a cylindrical waveguide. Finally, using this method, the THz cyclotron maser with TE26 and the quasi optical cavity cyclotron oscillator with HE06 are simulated successfully.
Citation: | LIU Da-gang, WANG Chong-yang, LIAO Shu-qing. Research of Terahertz Cyclotron Oscillator Particle Simulation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2017, 46(2): 369-374. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2017.02.009 |