本发明涉及真空电子学领域，尤其涉及一种能够精确获知热状态下器件性能参数变化状况的方法及系统。
背景技术：
行波管作为一种用于放大高频信号的真空电子器件，具有宽频带、高功率等优势，是雷达、通信、电子对抗系统中的核心器件。行波管主要利用电子注与高频电磁场相互作用，通过电子注能量转移至高频电磁场，实现信号放大，输出一定功率的信号。
工程应用中发现，行波管等真空电子器件工作时，其管内热状态对行波管自身的工作性能会产生重要影响。温度是影响器件可靠性、稳定性的重要因素之一：器件内温度较高时，器件内的慢波结构等会发生热形变，由此影响器件的高频特性，致使器件的工作特性偏离理论值。
针对行波管的实验证明，输出端螺旋线过热会引起行波管输出功率下降。当管内温度过高时，管内会释放出大量气体，造成行波管失效。因此，研究行波管等真空电子器件工作时热状态对于完善行波管的设计，提高各组件的性能参数有很大的参考意义。
尤其，目前，热状态是否会对行波管返波振荡状况产生影响(热状态是否会激发返波振荡，或对返波振荡的幅值等参数做出“贡献”)，进而显著地影响行波管输出参数，目前尚不清楚。目前已知，返波振荡会使得行波管在需要的工作频率处功率下降，还会引起其他震荡或者调制其他信号，从而产生一些其他的寄生信号，影响行波管性能。返波振荡是限制行波管输出功率的主要因素，而热状态下行波管慢波结构热形变所造成的高频特性畸变，极有可能激发相应的返波振荡，从而导致行波管输出参数变化。目前已知，热状态会影响行波管的高频特性。但具体热状态下行波管的返波振荡状况具体如何改变，以及由此带来的输出参数如何改变，目前尚无定论。
因此，目前急需一种能够精确获知热状态对真空电子器件性能参数影响的方法。得知热状态对真空电子器件性能参数的影响后，可基于此改善热状态以提高真空电子器件的工作性能，为优化真空电子器件的设计提供参考。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种热状态下真空电子器件性能参数的计算方法以及计算热状态下真空电子器件性能参数的系统。
首先，为实现上述目的，提出一种热状态下真空电子器件性能参数的计算方法，包括以下步骤：
第一步，建立真空电子器件模型，输入所述真空电子器件的工作参数，计算工作状态下所述真空电子器件的注波互作用，获得热源参数；
第二步，将所述热源参数输入所述真空电子器件模型，进行热分析，获得所述真空电子器件的温度分布；
第三步，根据所述真空电子器件的温度分布计算热形变参数，按照所述热形变参数修正所述真空电子器件模型；
第四步，根据所述第三步修正后的所述真空电子器件模型，重新输入所述真空电子器件的工作参数，计算工作状态下所述真空电子器件的注波互作用，获得所述真空电子器件的性能参数。
进一步，上述方法中，所述第四步后还包括递归修正所述真空电子器件的性能参数的步骤，具体步骤如下；
循环所述第二步至所述第四步，直至所述第二步中获得的所述真空电子器件的温度分布中，管内温度与上一次计算的结果差值小于设定阈值，输出此温度分布下计算获得的所述真空电子器件的性能参数，并与初始状态下的性能参数相对比，获得热状态对真空电子器件性能参数的影响。
具体的，上述方法中，所述真空电子器件的工作参数包括所述真空电子器件的工作电压，电子注电流，输入信号频率、输入信号幅值。
上述方法中，所述热源参数包括所述真空电子器件中欧姆损耗的3D分布、电子轰击损耗的3D分布、电子注热辐射。
具体计算过程中，上述方法中的所述热源参数中的电子注热辐射数据在所述第二步中进行热分析时等效为灰体辐射数据，所述灰体辐射数据与所述电子注热辐射能量相等。
具体的，上述方法中，所述真空电子器件的性能参数包括输出功率和返波振荡状况，包括返波振荡是否发生，以及其幅值大小。
上述方法中，所述真空电子器件包括行波管、速调管、磁控管等。
其次，为实现上述目的，还提出一种计算热状态下真空电子器件性能参数的系统，包括：真空电子器件模型、注波互作用分析器、热分析器和热形变分析器；
所述真空电子器件模型、注波互作用分析器、热分析器和热形变分析器环接，构成闭环系统；其中，
所述真空电子器件模型的输入端与所述热形变分析器的输出端连接，用于根据所述热形变分析器输出的热形变参数修正所述真空电子器件模型的参数；真空电子器件模型的输出端同时连接所述注波互作用分析器、热分析器和热形变分析器的一个输入端，用于为所述注波互作用分析器、热分析器和热形变分析器提供参数；
所述注波互作用分析器的一个输入端连接所述真空电子器件模型的输出端，所述注波互作用分析器的另一个输入端用于输入所述真空电子器件的工作参数；所述注波互作用分析器用于根据所述工作参数计算所述真空电子器件模型的注波互作用，获得热源参数以及所述真空电子器件模型的性能参数并输出；
所述热分析器的一个输入端连接所述真空电子器件模型的输出端，所述热分析器的另一个输入端连接所述注波互作用分析器的输出端；所述热分析器用于根据所述注波互作用分析器输出的所述热源参数计算所述真空电子器件模型的温度分布数据并输出；
所述热形变分析器的一个输入端连接所述真空电子器件模型的输出端，所述热形变分析器的另一个输入端连接所述热分析器的输出端；所述热形变分析器用于根据所述热分析器输出的所述温度分布数据计算所述真空电子器件模型的热形变参数并输出。
进一步，上述系统中，所述注波互作用分析器采用CST(Computer Simulation Technology)系统下的CST粒子工作室，或采用MTSS系统、MAGIC系统或CHRISTINE系统中的一种或多种；
所述热分析器采用ANSYS系统；
所述热形变分析器采用ANSYS系统。
基于上述技术，本发明还同时提供一种真空电子器件的设计方法，其特征在于，根据所述第二步中获得的所述真空电子器件的温度分布，在所述真空电子器件内的高温位置增设散热板；
根据所述第三步中获得的所述热形变参数，利用热形变系数小的材料制作的部件替换所述真空电子器件内热形变参数高的部件。
有益效果
本发明通过依次对真空电子器件进行注波互作用分析、热分析获得热形变参数，从而修正热状态下真空电子器件模型的参数，最终形成注波互作用-热-热形变-注波互作用的协同分析环路。通过该闭环系统，本发明可以全面地分析工作状态下，尤其是热状态下，真空电子器件的工作特性，能够精确获知热状态对真空电子器件的性能参数带来的改变(包括输出功率、返波振荡情况等)。
进一步，本发明在进行热分析计算热形变时，将热源参数中的电子注热辐射进行等效，以灰体辐射模型对电子注热辐射所产生的能量进行分析。简化计算且热形变分析更为精确。
同时，本发明还可通过获知热状态对行波管性能带来的影响，可以从改善热状态的角度对行波管进行优化设计。利用热形变系数小的材料制作的部件替换所述真空电子器件内热形变参数高的部件，并在所述真空电子器件内的高温位置增设散热板，以抵消热状态对行波管性能参数的影响。通过上述措施对真空电子器件的结构、材料、工作参数进行优化，提高输出功率，抑制返波振荡，增强其工作可靠性，提高其工作性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的热状态下真空电子器件性能参数的计算方法的流程图；
图2为根据本发明的计算热状态下真空电子器件性能参数的系统的框图；
图3为螺旋线行波管的结构示意图；
图4为本发明实施例中螺旋线行波管欧姆损耗3D分布图；
图5为本发明实施例中螺旋线行波管电子轰击损耗3D分布图；
图6为本发明实施例中螺旋线行波管温度3D分布图；
图7为本发明实施例中螺旋线行波管热形变3D分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。本发明还可应用于研究热状态对速调管、磁控管等真空电子器件性能的影响。
图1为根据本发明的热状态下真空电子器件性能参数的计算方法的流程图，包括以下步骤：一种热状态下真空电子器件性能参数的计算方法，包括以下步骤：
第一步，建立真空电子器件模型，输入所述真空电子器件的工作参数，计算工作状态下所述真空电子器件的注波互作用，获得热源参数；
第二步，将所述热源参数输入所述真空电子器件模型，进行热分析，获得所述真空电子器件的温度分布；
第三步，根据所述真空电子器件的温度分布计算热形变参数，按照所述热形变参数修正所述真空电子器件模型；
第四步，根据所述第三步修正后的所述真空电子器件模型，重新输入所述真空电子器件的工作参数，计算工作状态下所述真空电子器件的注波互作用，获得所述真空电子器件的性能参数。
进一步，上述方法中，所述第四步后还包括递归修正所述真空电子器件的性能参数的步骤，具体步骤如下；
循环所述第二步至所述第四步，直至所述第二步中获得的所述真空电子器件的温度分布中，管内温度与上一次计算的结果差值小于设定阈值，输出此温度分布下计算获得的所述真空电子器件的性能参数，并与初始状态下的性能参数相对比，获得热状态对真空电子器件性能参数的影响。阈值的设定是为了计算达到某一稳定值即停止。如果需要精度很高，就将阈值设置小一些，比如1℃；如果需要提高分析速度，减少计算量，则将阈值提高，比如10℃。阈值由所需计算精度决定。
具体的，上述方法中，所述真空电子器件的工作参数包括所述真空电子器件的工作电压，电子注电流，输入信号频率、输入信号幅值。
上述方法中，所述热源参数包括所述真空电子器件中欧姆损耗的3D分布、电子轰击损耗的3D分布、电子注热辐射。
具体计算过程中，上述方法中的所述热源参数中的电子注热辐射数据在所述第二步中进行热分析时等效为灰体辐射数据，所述灰体辐射数据与所述电子注热辐射能量相等。
具体的，上述方法中，所述真空电子器件的性能参数包括输出功率和返波振荡状况，包括返波振荡是否发生，以及其幅值大小。
上述方法中，所述真空电子器件包括行波管、速调管、磁控管等。
基于上述方法，在图2所示的计算热状态下真空电子器件性能参数变化状况的系统的框图中，本发明所提供的系统共包括：真空电子器件模型、注波互作用分析器、多物理场(“多物理场”包含热、应力、形变、电等参数，均指代热分析时)中的热分析器和结构应力求解器(具体采用热形变分析器)；
所述真空电子器件模型、注波互作用分析器、热分析器和热形变分析器环接，构成闭环系统；其中，
所述真空电子器件模型的输入端与所述热形变分析器的输出端连接，用于根据所述热形变分析器输出的热形变参数修正所述真空电子器件模型的参数；真空电子器件模型的输出端同时连接所述注波互作用分析器、热分析器和热形变分析器的一个输入端，用于为所述注波互作用分析器、热分析器和热形变分析器提供参数；
所述注波互作用分析器的一个输入端连接所述真空电子器件模型的输出端，所述注波互作用分析器的另一个输入端用于输入所述真空电子器件的工作参数；所述注波互作用分析器用于根据所述工作参数计算所述真空电子器件模型的注波互作用，获得热源参数以及所述真空电子器件模型的性能参数并输出；
所述热分析器的一个输入端连接所述真空电子器件模型的输出端，所述热分析器的另一个输入端连接所述注波互作用分析器的输出端；所述热分析器用于根据所述注波互作用分析器输出的所述热源参数计算所述真空电子器件模型的温度分布数据并输出；
所述热形变分析器的一个输入端连接所述真空电子器件模型的输出端，所述热形变分析器的另一个输入端连接所述热分析器的输出端；所述热形变分析器用于根据所述热分析器输出的所述温度分布数据计算所述真空电子器件模型的热形变参数并输出。
进一步，上述系统中，所述注波互作用分析器采用CST系统下的CST粒子工作室，或采用MTSS系统、MAGIC系统或CHRISTINE系统中的一种或多种；
所述热分析器采用ANSYS系统；
所述热形变分析器采用ANSYS系统。
基于上述技术，本发明还同时提供一种真空电子器件的设计方法，其特征在于，根据所述第二步中获得的所述真空电子器件的温度分布，在所述真空电子器件内的高温位置增设散热板；
根据所述第三步中获得的所述热形变参数，利用热形变系数小的材料制作的部件替换所述真空电子器件内热形变参数高的部件。
具体以图3所示的某型号500W螺旋线行波管结构为例，工作电压9600V，工作带宽为10GHz。行波管1主要由电子枪2、螺旋线5、夹持杆6、管壳7、周期永磁聚焦结构PPM8、输入窗9、输出窗10、收集极11组成。螺旋线行波管1在工作状态下，由电子枪2发射电子注3，电子注3穿过由螺旋线5、夹持杆6、管壳7所组成的慢波结构，此过程中电子注3由周期永磁聚焦结构(PPM)8保持汇聚状态，最终由收集极11所接收；高频电磁场4由输入窗9输入，在螺旋线5、夹持杆6、管壳7所组成的慢波结构中传输，与行进中的电子注3发生相互作用(注波互作用)，电子注3将能量转移至高频电磁场4中，高频电磁场4得到放大，最终从输出窗10输出。行波管1工作时，高频电磁场4在传输过程中会产生功率损耗，这些损耗分布于螺旋线5、夹持杆6、管壳7、输出窗10，损耗的电磁场能量转换成热能，此为欧姆损耗。电子注3在传播过程中，少量电子会轰击螺旋线3及其他组件，产生热能，此为电子轰击损耗；同时电子注3会辐射热量，也是一种热源，此为电子注热辐射。
本发明技术方案，首先建立真空电子器件模型计算其在某频率点的注波互作用，得到增益为48dB，输出功率为506W，返波幅值为0.0126V(且返波幅值没有持续性增长)，同时得到了热源参数，包括欧姆损耗的3D分布(如图4所示)和电子轰击损耗的3D分布(如图5所示)，发现欧姆损耗主要集中于螺旋线末端15-20匝和输出窗内导体上，其峰值为2.3×1010W/m3，电子轰击损耗集中于螺旋线末端20匝，峰值为1.27×1010W/m3。然后根据注波互作用获得的热源参数进行热分析，得到温度3D分布(如图6所示)，发现高温区域集中在螺旋线末端和输出窗内导体，最高温度为334℃(607K)；再根据热分析获得的温度分布计算热形变参数，得到热形变的3D分布(如图7所示)，发现螺旋线和输出窗内导体热形变较大，螺旋线热形变随纵向距离增大而增大，行波管内最大热形变为15.7μm(0.0157mm)，位于输出窗内导体上；最终根据热形变参数修正所述真空电子器件模型重新计算注波互作用，获得真空电子器件在热状态下的性能参数，包括输出功率和返波振荡状况，发现返波幅值为0.0518V，超过不考虑热形变时的4倍，而且返波幅值随时间增长，说明返波振荡发生，同时输出功率降低至463W，降低43W。
上述的计算过程中，根据电子枪阴极温度以及电子注在传播过程中的发散状况，可以推算出其在某处的温度。通过理论计算得到其热辐射功率。将电子注等效为具有特定发射率的灰体(其辐射能量相当于电子注发射能量)。在热分析器中将其作为热辐射源，与螺旋线、夹持杆、管壳处于热平衡状态，计算其对管内热状态的影响
本发明通过热形变参数修正热状态下真空电子器件模型的参数，形成注波互作用-热-热形变-注波互作用的协同分析环路。通过该闭环系统，本发明可以全面地分析工作状态下，尤其是热状态下，真空电子器件的工作特性，能够获知热状态对真空电子器件性能的影响。
利用本发明技术为行波管的优化设计提供参考时，以上述行波管为例。由于已经得知，该行波管在工作状态下的局部高温可以引起返波振荡，降低输出功率，因此，为提高行波管性能，抑制返波振荡，可以通过降低管内温度、减少热形变而对其进行优化。具体措施例如，可以在行波管末端安装热导率较高的散热板以降低温度；选用热膨胀系数小的材料制备输出窗内导体，以减小热形变，等等。
虽然本实施例是以螺旋线行波管为例进行说明的，但本领域技术人员显然可知，本发明还可应用于研究热状态对速调管、磁控管等真空电子器件性能的影响。但是其他器件中不会出现返波振荡现象，所以针对这些器件，主要研究的是其输出功率受热状态的影响。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。