[發明專利]一種螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性仿真方法

有效

• 申請號: 202010877488.1
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN112100825B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 朱小芳;劉曉東;胡玉祿;胡權;楊中海;李斌
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;H01J23/26;H01J25/34
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發明屬于微波真空電子技術領域，具體涉及一種螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性仿真方法。本發明針對無電子注加載的駐波比仿真并不能真實的反應工作狀態下行波管輸能裝置的匹配性能，提出了一種螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性仿真方法。首先從注波互作用的角度出發，基于空間電荷場的引入會使慢波結構高頻色散發生偏移的理論，確定等效媒質的電磁特性；然后通過用確定的等效媒質來等效電子注對慢波結構電磁波產生的影響，實現了對熱電子注狀態下輸能端口的反射特性仿真。為螺旋線行波管的高性能仿真設計提供了一種有效的方法。

技術領域

本發明屬于微波真空電子技術領域，具體涉及一種螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性仿真方法。

背景技術

行波管以其高效率、高增益、寬頻帶以及大功率的優勢，已經成為了一些重要軍事領域的核心部件，諸如雷達衛星、電子對抗、通訊等等。行波管輸能結構是將行波管高頻電磁場信號傳輸到慢波結構上的裝置。在行波管的工作中，輸入輸出結構和慢波結構的匹配至關重要，它直接影響著行波管的增益、功率、頻帶特性以及其它性能。

一般情況下，對行波管的電磁特性研究忽略了電子注對于電磁波傳輸性能的影響。通過對輸入輸出端進行無電子注加載的駐波比仿真，進而調節結構參數，達到良好的匹配性能。但在工作狀態下，由于電子注的引入，勢必會影響慢波結構中電磁波的傳輸特性，無電子注加載的駐波比仿真并不能完全的反應行波管工作時的真實狀態。此外，如何既精確又有效的仿真電子注對電磁波電磁特性的影響，對注波互作用的分析也有著直接的影響，并在一定程度上成為了仿真分析和實驗測量之間誤差的重要來源。

對于電子注加載螺旋線的行波管匹配性能的分析，通常是從流體理論出發，將電子注等效為一種特殊的電磁媒質，然后利用三維電磁仿真軟件進行分析。

對于行波管輸入輸出結構與慢波系統之間的匹配情況，雖然可以通過實驗測量行波管工作狀態下輸入輸出端口的熱駐波比進行分析，但是這種方法需要反復加工測試，成本高昂，研制周期也長。為了使仿真盡可能與實際情況一致，實現“一次制管成功”，探究一種螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性仿真方法，實現螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配的精確仿真設計，是亟需解決的問題。

發明內容

針對上述存在問題或不足，為滿足精確分析螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性的需求；本發明提供了一種螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性仿真方法。在已有的行波管結構基礎之上，通過將電子注等效成一段特殊的電磁媒質，進而仿真得到熱電子注狀態下輸能端口的反射特性。為高性能空間螺旋線行波管的仿真分析提供一種有效可行的方法。

為實現上述目的，本發明通過以下技術方案來實現。

一種螺旋線行波管輸入輸出結構與慢波系統熱匹配特性仿真方法，包括以下步驟：

S1、運用注波互作用理論，根據所要求的頻段，進行螺旋線慢波結構初始尺寸的設計。其中包括螺旋線的螺距、內徑、截面尺寸和夾持桿尺寸。

S2、根據電子電壓、電流參數，求出電子初速度歸一化值。利用螺旋線行波管模擬軟件的注波互作用模塊對S1算出的慢波結構的螺距進行參數掃描，得到增益最大時的螺距。

S3、將S2得到的螺距帶入冷腔慢波結構中，利用三維電磁仿真軟件仿真得到此慢波結構的色散特性。在螺旋線中間加一段等效媒質來等效電子注對高頻色散產生的影響。基于空間電荷場的引入會使慢波結構高頻色散發生偏移的理論，在用仿真軟件模擬的過程中，通過對媒質的相對介電常數進行掃描，使得熱腔時的色散偏移到S2求出的電子初速度歸一化值。此時求得的相對介電常數值就是所要求的等效媒質的電磁特性。

S4、根據傳輸線的負載阻抗匹配理論，計算與慢波結構相連的同軸線的外半徑。使得同軸線的特性阻抗與慢波結構的輸入阻抗相等。然后根據輸能窗和同軸線的特性阻抗設計中間的阻抗變換器。