一种行波管三阶互调快速计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于行波管非线性失真技术领域，具体涉及一种行波管三阶互调快速计算 方法。
【背景技术】
[0002] 行波管是宽频带大功率的真空电子器件，广泛应用于雷达、通信、导航等领域。空 间行波管作为卫星通信的末级放大器，承担着信号放大传输的重要作用。而空间行波管的 三阶互调分量是影响通信性能的重要指标；由于非线性影响，在通信过程中多路信号的并 发，会产生三阶互调分量从而导致多路信号间相互干扰，影响着卫星通信、数据传输的准确 性；为了降低互调干扰，传统方法采取工作点功率回退方式降低三阶互调影响，一方面降低 信号功率影响通信距离另一方面也降低了行波管的工作效率，对能源极度紧张的通信卫星 造成损失。因此三阶互调需要在行波管设计时进行准确计算和抑制分析。
[0003] 行波管工作的核心是电子注与电磁波相互作用过程：在真空的管壳内部，一束从 阴极发生的电子注从左端出发，以一定的速度与携带频率信号的电磁波同向传输，在这过 程中电子被电磁波调制，也激励电磁波能量放大，最终电磁波信号被放大，剩余电子注被右 端的收集极减速收集；整个过程叫做注波互作用过程。目前行波管的注波互作用仿真计算 通常采用拉格朗日频域非线性注波互作用模型，该模型需要采取有限多个宏电子表征周期 时间内不同时间相位的电子状态；利用该模型能快速准确地对注波互作用进行仿真计算。
[0004] 通常单频率信号的一次注波互作用过程仿真计算时间在数十秒以内，通常采用32 个时间相位的宏电子即可收敛。然而该模型面对两个频率非常接近的输入信号及产生的三 阶互调仿真时，需要产生极多的宏电子才能计算准确，而且频率越接近宏电子数越多。两个 频率之差叫分辨频率，粒子倍率等于工作频率除以分辨频率，通常计算三阶互调的宏电子 需要单频率宏电子乘以该粒子倍率，结果才能准确收敛。以L波段行波管为例，工作频率为 1. 5GHz，分辨频率5MHz，那么单频率计算需宏电子32个，采用一维模型计算一次需1秒钟， 三维模型计算一次需15秒钟；而三阶互调计算需宏电子9600个，采用一维模型计算一次需 15~20分钟，三维模型因需要太多计算资源而导致软件崩溃；然而设计过程中还需扫描不 同输入功率下的三阶互调状态，那么扫描21次则一维模型需5~7个小时。因此三阶互调 低效计算制约了行波管非线性设计与抑制，且无法用三维模型计算也影响了三阶互调计算 的精确性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有行波管三阶互调计算效率低的缺点提供一种行波管 三阶互调快速计算方法，该方法利用行波管计算频率范围内增益及相移不变的特点，仅需 单频率下功率扫描一次，然后利用公式快速求解不同输入功率下的三阶互调，一维模型仅 需数十秒，三维模型仅需数分钟。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种行波管三阶互调快速计算方法， 包括以下步骤：
[0007] 步骤一：以两输入频率f\，f2的中心频率f。作为输入信号频率，以饱和输入功率回 退20dB为起点，以饱和输入功率为终点进行输入功率P扫描，获取扫描的增益曲线G(P)和 相移曲线Φ(P)，从而获得复增益曲线为：
[0008]
[0009] 步骤…Μ吻鳥的两输入频率信号f\，f2的注波互作用视为单频信号f〇 被差频信号（&-&)幅度调制的过程；得到各分量输出功率为：
[0010]
[0011] 式中，η就是表示阶数，当η为±1时表示基波输出功率，当η为±2时表示三阶 互调输出功率；
[0012] &=|4|_表示最大输入功率；
[0013]
，通过差频相位对应功率表达式：g⑷=&1 + C，⑷. 将差频相位Φ在[0, 2π]范围离散N等分后代换得到；差频相位Φ离散后为：
[0014] 基于上述即计算得到两输入频率f\，f2(基波）的输出功率以及三阶互调输出功 率；
[0015] 步骤三：扫描场幅值4，:重复步骤二的过程，即获得各输入功率下的基波输出功率 及三阶互调输出功率。
[0016] 本发明提出的行波管三阶互调快速计算方法有效的解决传统三阶互调计算效率 低的问题，仅需单频率下功率扫描一次，然后利用公式快速求解各输入功率下的三阶互调 功率，一维模型仅需数十秒，三维模型仅需数分钟；大大提高了三阶互调优化计算效率。
【附图说明】
[0017] 图1行波管输入功率扫描曲线，其中，1为增益曲线，2为相移曲线。
[0018] 图2实施例中以饱和输入功率回退6dB的输入信号和三阶互调功率比较柱状图。
[0019] 图3实施例中各输入功率下的输入信号与三阶互调功率扫描比较曲线；其中，3为 本发明计算信号频率A的输出功率曲线，4为数值模拟计算信号频率fi的输出功率曲线，5 为本发明计算三阶互调输出功率曲线，6为数值模拟计算三阶互调输出功率曲线。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合模型公式和附图对本发明做进一步详细说明。
[0021] 本实施例中一种行波管三阶互调快速计算方法，包括以下步骤：
[0022] 步骤一：以两输入频率（f\，f2)的中心频率f。作为输入信号频率，以饱和输入功率 回退20dB的小信号功率为起点，以饱和输入功率为终点进行输入功率P扫描，获取扫描的 增益曲线G(P)和相移曲线Φ(P)，从而获得各输入功率下复增益曲线为：
[0023]
(:|:)
[0024]本实施例中，假设f\= 1. 5GHz，f2=1. 5005GHz，则f。=1. 50025GHz;且饱和输 入功率为0. 3mW(-5. 2dBm)，回退20dB后小信号功率为0. 003mW(-25. 2dBm)，得到增益曲线 G(P)(如图1中曲线1所示）和相移曲线Φ(P)(如图1中曲线2所示）；
[0025] 步骤二：相同场幅值義,的两输入频率信号f\，f2的注波互作用，可视为单频信号f。 被差频信号（f2-fi)