[发明专利]相对论返波管自动化设计制作方法

说明书

本发明涉及一种相对论返波管，具体涉及一种相对论返波管自动化设计制作方法，其目的是解决现有相对论返波管设计中存在尚未将计算机辅助设计引入到真空电子器件数值模拟方法中，只是用于模型三维结构显示，或者受限于软件的通用性要求，没有将相对论返波管的线性理论与全电磁粒子模拟方法相结合，导致设计过程依赖于研究人员的经验，相对论返波管研制效率较低的技术问题。该自动设计制作方法，只需给出相对论返波管设计指标中的工作频率、电子能量转换效率等目标参数，就能通过本发明的方法给出最后的优化设计结果。相比传统的相对论返波管依赖经验的设计方法，该方法实现了设计过程的全自动化，使得相对论返波管的研制效率大幅提高。

技术领域

本发明涉及一种相对论返波管，具体涉及一种相对论返波管的自动化设计制作方法。

背景技术

高功率微波源器件是一个非常复杂的系统，可调节的参数非常多，设计一个最优的器件需要进行多次反复的理论研究以及实验，其中，相对论返波管是一种非常具有前途的高功率微波源器件，其输出的电磁波功率可以达到吉瓦级。设计相对论返波管的过程比较复杂，首先针对所需设计相对论返波管的工作频率，通过相对论返波管的线性理论，计算出所需设计相对论返波管的色散曲线以及电子的多普勒线。线性理论是一种基于线性微扰的小信号理论，它假设慢波结构中的电子束与结构波相互作用，电子束密度和电子速度、结构波的色散曲线产生线性微扰，从而解出返波管的工作频率等参数，利用这些参数可以了解返波管的工作原理，初步设计返波管的结构参数以及电参数。

相对论返波管初始设计阶段所采用的小信号理论只是针对器件内波-束互作用一定程度的近似，无法得到输出功率饱和情况下器件的工作状态，而全电磁粒子模拟算法是在没有近似的情况下，对真空电子器件全物理的描述，采用全电磁粒子模拟软件能够模拟得到器件的起振时间、电子束能量转换效率、实际的工作频率等工作特性参数。所以，在采用线性理论得到相对论返波管的初始参数后，为了优化器件的性能，需要采用全电磁粒子模拟软件进行模拟，进行参数的优化设计，最终得到满足设计要求的器件结构。

由于真空电子器件设计需要调节的参数非常多，通常做法是先调节某个参数，获得关于该参数的最优结果；固定这一参数，调节另外的参数，再一次获得最优结果，直至最终完成真空电子器件的设计。然而，在真空电子器件的设计过程中，结构以及电参数之间往往存在相互制约的关系，所以尽管可能获得某一个参数的最优解，但所获得的结果可能不能达到真空电子器件的最优工作性能。并且，这种设计方法实质上是选优过程，而不是实际意义上的优化设计。同时，真空电子器件中存在远小于工作波长的几何尺寸结构，而由于真空电子器件中的电子束与电磁波会发生强烈的非线性相互作用，导致这些细小结构对真空电子工作性能具有非常大的影响，因此采用基于计算机辅助设计的全电磁粒子模拟方法，能够模拟实际结构尺寸的真空电子器件，保证采用全电磁粒子模拟方法计算得到的真空电子器件的工作参数与实际器件的工作参数相同。

对于相对论返波管的设计，目前，国内外也研制了一些数值模拟程序，如电子科技大学研制的CHIPIC软件、西安交通大学和西北核技术研究所研制的UNIPIC软件等，还有国外的MAGIC、KARAT软件、CST软件等也应用于相对论返波管的研究，但是CHIPIC、UNIPIC、MAGIC、KARAT软件的建模还没有将计算机辅助设计引入到真空电子器件数值模拟方法中，只是用于模型三维结构显示。同时，CST等商用软件受限于软件的通用性要求，没有将相对论返波管的线性理论与全电磁粒子模拟方法相结合。因此，现在相对论返波管的设计还非常依赖于研究人员的经验，导致相对论返波管的研制效率较低。

发明内容

本发明的目的是解决现有相对论返波管设计中存在尚未将计算机辅助设计引入到真空电子器件数值模拟方法中，只是用于模型三维结构显示，或者受限于软件的通用性要求，没有将相对论返波管的线性理论与全电磁粒子模拟方法相结合，导致设计过程依赖于研究人员的经验，使相对论返波管研制效率较低的技术问题，提供一种相对论返波管自动化设计制作方法，将计算机辅助引入到了真空电子器件的设计当中，不再过度依赖研究人员的经验。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：