专利名称：一种行波管注波互作用的模拟方法
技术领域：
本发明属于行波管模拟技术，具体涉及一种行波管注波互作用的模拟方法。
背景技术：
行波管是使用最广泛的真空电子器件之一，广泛应用于卫星通讯、雷达、电子对抗等领域。目前，采用计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)技术是节约成本，改进设计和提高行波管整体性能的主要手段之一。在行波管CAD技术中，对行波管内电子注与高频电磁场的相互作用(即注波互作用)进行分析具有重要意义。行波管中的注波互作用是一个自洽过程行波管高频结构内的高频电磁场和粒子群聚产生的空间电荷场推动粒子运动，粒子运动形成高频电流，高频电流反过来激励高频结构内的高频电磁场。目前，主要有两类方法模拟行波管内的注波互作用过程，一是纯数值的粒子模拟方法，二是利用半解析半数值的参数理论模型。纯数值的粒子模拟方法具有通用性，可以对各类行波管的注波互作用过程进行模拟，但是其计算耗时长，内存消耗多，计算一次注波互作用过程往往需要数小时甚至数天。参数理论模型计算一次注波互作用过程只需几分钟甚至几十秒即可。然而，对不同类型的行波管，如螺旋线行波管、耦合腔行波管、折叠波导行波管等，其高频结构的不同导致了不一致的电磁场分布，从而需要建立不同的注波互作用参数理论模型。对于某些具有复杂高频结构如耦合腔结构、折叠波导结构的行波管，无法建立起有效的注波互作用参数理论模型。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的半解析半数值的参数理论模型模拟各类行波管注波互作用过程存在的问题，提出了一种行波管注波互作用的模拟方法。本发明的技术方案是一种行波管注波互作用的模拟方法，包括以下步骤A.根据行波管高频结构内的广义高频场表达式得到高频场方程；B.利用纯数值的方法获取行波管高频结构内无源的高频场分布；C.计算空间电荷场；D.利用洛伦兹力方程推动粒子运动，得到粒子的相位方程与运动方程；E.利用步骤A、B、C、D得到的高频场方程、粒子的相位方程与运动方程，建立描述行波管注波互作用过程的微分方程组，设置互作用初始条件，求解建立的微分方程组，直到注波互作用结束，即可完成一次注波互作用过程的模拟。本发明的有益效果本发明的方法通过利用纯数值的方法获得行波管高频结构内无源的高频场分布，并结合高频场方程、粒子的相位方程与运动方程，构建微分方程组，即建立起适用于各种类型行波管的注波互作用参数理论模型，本发明的方法能够模拟各类行波管中的注波互作用过程，并且具有参数理论模型的高效性，可用于各类具有周期性高频结构的行波管中的电子注和高频场相互作用的数值仿真
图1是本发明方法的流程示意图。图2是本发明和Christine理论模型求解螺旋线行波管的基波5GHz和谐波IOGHz 的功率沿轴分布示意图。图3是利用本发明的方法求解耦合腔行波管饱和输出功率与测试结果比较示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。本发明的行波管注波互作用的模拟方法的流程示意图如图1所示，包括如下步骤A.根据行波管高频结构的广义高频场表达式得到高频场方程。在具有轴向周期性的行波管高频结构内，广义高频电磁场可表述为公式(1. 1)
权利要求
1.一种行波管注波互作用的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤A.根据行波管高频结构内的广义高频场表达式得到高频场方程；B.利用纯数值的方法获取行波管高频结构内无源的高频场分布；C.计算空间电荷场；D.利用洛伦兹力方程推动粒子运动，得到粒子的相位方程与运动方程；E.利用步骤A、B、C、D得到的高频场方程、粒子的相位方程与运动方程，建立描述行波管注波互作用过程的微分方程组，设置互作用初始条件，求解建立的微分方程组，直到注波互作用结束，即可完成一次注波互作用过程的模拟。
2.根据权利要求1所述的行波管注波互作用的模拟方法，其特征在于，步骤A中所述的高频场方程具体为
3.根据权利要求1或2所述的行波管注波互作用的模拟方法，其特征在于，步骤B中所述的纯数值的方法具体为通过三维电磁场数值仿真软件、或者无源高频场的实验测试获得行波管高频结构一个轴向周期内的数值高频场分布，然后利用弗洛奎定理得到行波管高频结构内任意位置的数值高频场分布。
4.根据权利要求3所述的行波管注波互作用的模拟方法，其特征在于，步骤C所述的计算空间电荷场具体采用空间电荷波模型进行计算。
5.根据权利要求3或4所述的行波管注波互作用的模拟方法，其特征在于，步骤D所述的求解建立的微分方程组具体采用龙格库塔法。
全文摘要
本发明属于行波管模拟技术，公开了一种行波管注波互作用的模拟方法。针对现有的半解析半数值的参数理论模型模拟各类行波管注波互作用过程存在的问题，本发明的方法通过利用纯数值的方法获得行波管高频结构内的高频场分布，并结合高频场方程、粒子的相位方程与运动方程，构建微分方程组，即建立起适用于各种类型行波管的注波互作用参数理论模型，本发明的方法能够模拟各类行波管中的注波互作用过程，并且具有参数理论模型的高效性，可用于各类具有周期性高频结构的行波管中的电子注和高频场相互作用的数值仿真。
文档编号G06F17/50GK102298658SQ201110236508
公开日2011年12月28日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者彭维峰, 朱小芳, 李建清, 李斌, 杨中海, 胡玉禄 申请人:电子科技大学