[发明专利]一种基于稳态频域模型的速调管非线性注波互作用模拟方法

说明书

本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种基于稳态频域模型的速调管非线性注波互作用模拟方法。本发明从麦克斯韦方程组出发，利用本征模式的正交性和完备性，快速求解速调管谐振腔内和电子注通道内的稳态电磁场。速调管内的高频电磁场结合空间电荷场和外加聚焦磁场，推进粒子运动，得到粒子运动轨迹和电流源。电流源反向激励电磁场，如此反复，直到稳态，即完成速调管稳态注波互作用特性的模拟。相比于TESLA时域互作用理论模型，本发明具有频域法的高效性和稳定性，公式简练，大大提高了速调管注波互作用的仿真求解速度，可用于普通速调管和分布作用速调管中的注波互作用的数值仿真。

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种基于稳态频域模型的速调管非线性注波互作用模拟方法。

背景技术

速调管是一种具有大功率和高增益等特点的微波真空电子器件，在粒子加速器、可控热核聚变等离子体加热装置、微波武器、空间微波能输和工业微波加热与处理系统等直接应用微波能量的场合占有主导地位，在气象和雷达导航、通信、电视广播等应用场合也得到了广泛应用。

为了缩短研制周期、降低研制成本以及提高器件性能，需要对速调管的结构以及性能进行计算机模拟分析与设计。其中，速调管中电子注与电磁场相互作用的群聚过程是速调管的主要物理过程，对速调管的输出功率、电子效率和增益等性能具有直接影响。建立快速准确的速调管注波互作用理论分析模型，进行准确高效的注波互作用数值模拟研究，进而分析与设计其性能，是速调管设计与研制的迫切需求。

典型的速调管互作用结构如图1所示。速调管互作用结构由输入腔、中间腔、输出腔和漂移段组成，各谐振腔之间通过漂移段实现电磁隔离。由电子枪发射的电子注进入互作用区，在谐振腔间隙处受输入腔高频信号作用，实现电子注速度调制。在漂移段中，速度调制电子注发生密度调制，形成电子群聚。经过密度调制的电子注激励中间腔和输出腔，并反向作用于电子注，最后通过输出腔耦合输出功率，实现输入电磁信号的放大。

美国海军实验室(NRL)根据速调管互作用结构的特点提出了TESLA理论模型。TESLA模型将高频电磁场分为电子注通道和外部谐振腔两个区域内的电磁场，并分别进行模式展开，建立了基于广义电报方程的速调管高频电磁场时域计算模型。在TESLA理论模型中，电子注通道内的各个模式场幅值与以及谐振腔模式幅值与随时间演变，最终趋于稳定。这个演变过程通常会非常缓慢，收敛性差，计算结果不稳定。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的速调管时域注波互作用理论模型模拟各类速调管注波互作用过程存在的耗时长、收敛性差、计算结果不稳定等问题，提出了一种基于稳态频域模型的速调管非线性注波互作用模拟方法。

一种基于稳态频域模型的速调管非线性注波互作用模拟方法，包括以下步骤：

S1.分别利用谐振模式和本征模式对谐振腔内的场和电子注通道内横向场进行模式展开。

S2.利用电磁场模式正交性，求解谐振腔和电子注通道内的稳态电磁场。

S3.求解空间电荷场，采用洛伦兹力方程推动粒子运动。

S4.利用S3得到的粒子轨迹计算激发电磁场的电流源。

S5.初始化各腔间隙轴向电场分布和电流源分布，电流源分布初始化为零，然后从互作用入口到互作用出口交替进行谐振腔和漂移段内的注波互作用计算；将电子注从速调管互作用区开始位置逐腔计算，直至互作用区结束位置，即可完成一次注波互作用过程的模拟；根据注波互作用模拟得到的高频电磁场与电子注轨迹数据信息，进行后处理即可得到输出功率、电子效率等速调管性能参数指标。