本發(fā)明屬于微波真空電子器件CAD仿真設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種能量耦合器的熱匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

螺旋線行波管是一類非常重要的微波電真空器件，具有大功率、寬頻帶、高增益和高效率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、電子對抗和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。能量耦合器是螺旋線行波管的關(guān)鍵部件之一，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電磁信號在管外傳輸線與螺旋線高頻系統(tǒng)之間的能量耦合與傳輸。能量耦合器與螺旋線高頻系統(tǒng)之間的能量耦合與傳輸示意圖見圖1。螺旋線行波管工作時(shí)，輸入電磁信號從管外傳輸線經(jīng)輸入能量耦合器傳輸至螺旋線高頻系統(tǒng)，并在高頻系統(tǒng)內(nèi)與電子注發(fā)生能量交換，將電子注的直流能量轉(zhuǎn)化為電磁波能量，并經(jīng)過輸出能量耦合器傳輸至管外傳輸線。能量耦合器與螺旋線高頻系統(tǒng)之間的匹配性能直接影響到螺旋線行波管的工作性能，因而螺旋線行波管的匹配性能設(shè)計(jì)是螺旋線行波管設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)。

通常，在螺旋線行波管匹配性能設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過優(yōu)化能量耦合器的結(jié)構(gòu)和尺寸以實(shí)現(xiàn)能量耦合器與螺旋線高頻系統(tǒng)最佳的冷駐波特性，獲得最佳的冷匹配性能。這種設(shè)計(jì)方法沒有考慮螺旋線行波管正常工作時(shí)螺旋線高頻系統(tǒng)內(nèi)通過的電子注對電磁傳輸特性的影響。

近年來，隨著衛(wèi)星通信等空間應(yīng)用螺旋線行波管對效率和可靠性等提出更高的要求，開始對螺旋線行波管工作狀態(tài)下，能量耦合器與螺旋線高頻系統(tǒng)的熱匹配情況(即熱駐波比)提出要求。這就需要對電子注加載對螺旋線行波管匹配性能的影響進(jìn)行分析，并以此優(yōu)化能量耦合器，實(shí)現(xiàn)最佳的熱匹配性能。

電子注加載對螺旋線行波管匹配性能的影響分析通常是將電子注等效為具有一定介電張量的電各向異性特殊媒質(zhì)，然后利用電磁仿真軟件對進(jìn)行仿真計(jì)算。分析電子注的等效介電張量時(shí)，直接在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下從麥克斯韋方程組出發(fā)，并假定：1)電子注中無直流空間場；2)沿軸向周期磁場聚焦，電子可以沿三維任意方向運(yùn)動，電子交變速度、交變電流密度以及交變電場都存在三個方向的分量；3)小信號情況下，各交變分量按照波動，為波矢量，為位矢。在直角坐標(biāo)系下，有：

這里，為直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)單位矢量，k_x,k_y,k_z為波矢量分別沿著三個方向上的分量。x,y,z為直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)分量。

在如上假定下，電子的電荷密度ρ、電子速度電流密度及電場強(qiáng)度可以表示為：

其中，同上，ρ₁為電子注的交變電荷密度，ρ₀為電子注直流電荷密度。v_x,v_y,v_z為電子交變速度沿著三個方向上的分量，v₀為電子的軸向直流分量。J_x,J_y,J_z為交變電流密度沿著三個方向上的分量，J₀為電子的軸向直流電流密度。E_x,E_y,E_z為交變電場沿著三個方向上的分量。

在以上基礎(chǔ)上，從麥克斯韋方程組出發(fā)，得到電子注等效介電張量的矩陣表示：

其中，ε₀為真空的介電常數(shù)，j為虛數(shù)單位。

這里，ω為角頻率，k_z,υ₀與前同，ω_p為電子注的等離子體頻率，ω_c為電子回旋角頻率。這些物理量，以及推導(dǎo)電子注的等效介電張量的過程為本領(lǐng)域基本常識，這里不再贅述。

由于在周期磁場聚焦時(shí)，電子注運(yùn)動的包絡(luò)半徑與周期磁場都是軸向的周期函數(shù)。為了精確反映電子注的形狀以及等效介電常數(shù)隨軸向位置的變化，將等效電子注沿軸向劃分為若干小段，取每段幾何中心處的電子注半徑與聚焦磁場，求出各段對應(yīng)的等效介電張量，并利用電磁仿真軟件分析電子注加載后螺旋線行波管的熱駐波比和電磁傳輸性能。

將電子注等效為介電張量為公式(7)的各向異性特殊媒質(zhì)，得到的介電張量矩陣非常復(fù)雜，不具有簡單的厄密矩陣性質(zhì)，而且推導(dǎo)公式(7)的過程中采用了一些近似，同時(shí)沒有考慮電子運(yùn)動的相對論效應(yīng)，因而是一種只適用于低速運(yùn)動電子注的近似處理方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述存在問題或不足，本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中將電子注等效為具有介電張量的各向異性特殊媒質(zhì)分析螺旋線行波管的熱匹配性能時(shí)，電子注的等效介電張量形式過于復(fù)雜，且不能反映電子運(yùn)動與電磁場的相對論效應(yīng)等局限，提供了一種能量耦合器的熱匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種能量耦合器的熱匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

S1、在電磁仿真軟件中建立無電子注加載的螺旋線行波管冷匹配特性的仿真模型，并優(yōu)化能量耦合器，使其滿足冷駐波比要求。

即通過優(yōu)化能量耦合器，獲得良好的冷駐波比，實(shí)現(xiàn)螺旋線行波管良好的冷匹配特性。

S2、利用粒子軌跡模擬軟件獲得電子注在周期聚焦磁場下的運(yùn)動軌跡，得到電子注運(yùn)動軌跡的包絡(luò)，并將電子注的包絡(luò)用三角函數(shù)(如sinx或cosx)進(jìn)行描述。

S3、在步驟S1得到的螺旋線行波管冷匹配特性仿真模型的基礎(chǔ)上，將步驟S2得到的具有包絡(luò)的波動電子注進(jìn)行分段建模，得到電子注加載的螺旋線行波管熱匹配特性仿真分析模型。

S4、在電磁仿真軟件中設(shè)定各個分段電子注等效材料屬性。

將電子注等效為雙各向異性的電磁媒質(zhì)。借鑒有限引導(dǎo)磁場下相對論電子注的等效媒質(zhì)處理辦法，分析其材料屬性，通過建立兩套坐標(biāo)系來研究縱向運(yùn)動的電子注。一套坐標(biāo)系為實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系，一套為運(yùn)動坐標(biāo)系。運(yùn)動坐標(biāo)系相對實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系以電子注的直流運(yùn)動速度向縱向運(yùn)動。在運(yùn)動坐標(biāo)系中，電子注可以被考慮成靜止的磁化等離子體，其等效介電張量可表示為：

其中，

其中，ω′_pe,ω_c′_e,ω′分別為運(yùn)動坐標(biāo)系統(tǒng)中電子的等離子體頻率、電子回旋角頻率與電磁波的角頻率。這里，我們用帶撇的物理量描述運(yùn)動坐標(biāo)系下的物理量。通過四維空間的洛倫茲變換得到

ω′＝γ₀(ω-k_zv₀) (14)

這里，為電子注的相對論因子，為光速歸一化電子注速度，v₀為電子注的縱向速度，c為光速。k_z為電磁波的縱向相位常數(shù)，ω為實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下電磁波的頻率。于是得到：

根據(jù)運(yùn)動坐標(biāo)系下，電子注中的電磁場本構(gòu)關(guān)系：

以及運(yùn)動坐標(biāo)系與實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下電磁場的變換關(guān)系，最后得到實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下，電磁場的本構(gòu)方程

其中

ε^*，μ^*和中各元素的具體表達(dá)式如下

至此，電子注等效為雙各向異性媒質(zhì)，介電率和磁導(dǎo)率都具有張量形式。

S5、將電子注的材料屬性設(shè)置成步驟S4所得到的雙各向異性電磁媒質(zhì)，利用電磁仿真軟件模擬電子注加載后的螺旋線行波管的熱匹配特性，調(diào)整與優(yōu)化能量耦合器的尺寸，獲得滿足要求的熱駐波比；

完成電子注加載后的螺旋線行波管的熱匹配特性仿真模型后，即可直接利用電磁仿真軟件模擬電子注加載后的螺旋線行波管的熱匹配特性，調(diào)整與優(yōu)化能量耦合器的尺寸，獲得滿足要求的熱駐波比。

所述S1和S5中采用CST電磁仿真軟件。

本發(fā)明借鑒了相對論器件中相對論電子注的等效媒質(zhì)處理方法。采用相對論電子注的等效媒質(zhì)處理方法，將螺旋線行波管中周期磁場聚焦電子注等效為雙各向異性的復(fù)雜電磁媒質(zhì)，其等效的介電張量與磁導(dǎo)率張量反映了電子運(yùn)動與電磁場的相對論效應(yīng)。同時(shí)，仿真結(jié)合了傳統(tǒng)螺旋線行波管熱匹配特性分析方法，將等效電子注進(jìn)行分段建模。更加精確地分析電子注加載對螺旋線行波管熱匹配特性的影響，且通過對等效電子注進(jìn)行分段建模精確反映電子注在周期磁場聚焦下電子注包絡(luò)的波動性以及軸向聚焦磁場的周期性，其結(jié)果精確高效，為高性能空間應(yīng)用螺旋線行波管的仿真分析與設(shè)計(jì)提供了一種行之有效的方法。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了精確高效的能量耦合器的熱匹配優(yōu)化，為高性能空間應(yīng)用螺旋線行波管的仿真分析與設(shè)計(jì)提供了一種行之有效的方法。

附圖說明

圖1為能量耦合器與螺旋線高頻系統(tǒng)之間的能量耦合與傳輸示意圖；

圖2為螺旋線行波管冷匹配特性仿真模型圖；

圖3為螺旋線行波管高頻系統(tǒng)冷駐波比圖；

圖4為周期磁場下，螺旋線行波管中電子注的運(yùn)動軌跡波動示意圖；

圖5為一個軸向周期波動電子注的分段建模示意圖；

圖6為電子注等效介電率隨頻率的變化曲線圖；

圖7為電子注等效磁導(dǎo)率隨頻率的變化曲線圖；

圖8為手征參數(shù)隨頻率的變化曲線圖；

圖9為加載電子注后的螺旋線行波管熱匹配特性仿真模型圖；

圖10為本發(fā)明的設(shè)計(jì)流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

S1、在電磁仿真軟件中建立無電子注加載的螺旋線行波管冷匹配特性的仿真模型，并優(yōu)化能量耦合器，使其滿足冷駐波比要求。

一種典型的6-18GHz超寬帶螺旋線行波管冷匹配特性的仿真模型如圖2所示，其中，同軸窗1、阻抗變換器2和過渡連接段3構(gòu)成螺旋線行波管的同軸型能量耦合器。同軸窗實(shí)現(xiàn)管內(nèi)高真空環(huán)境與管外傳輸線中的大氣環(huán)境隔離，阻抗變換器實(shí)現(xiàn)管外同軸線與螺旋線高頻系統(tǒng)之間的阻抗匹配。過渡連接段實(shí)現(xiàn)同軸內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線之間的平滑連接。衰減器4是用來模擬真實(shí)螺旋線行波管中夾持桿表面的蒸碳，用以吸收經(jīng)過螺旋線高頻系統(tǒng)向右傳輸?shù)碾姶挪ā?/p>

通過優(yōu)化能量耦合器，獲得良好的冷駐波比，實(shí)現(xiàn)螺旋線行波管良好的冷匹配特性。如圖3所示，在6-18GHz范圍內(nèi)，螺旋線行波管的冷駐波比都低于1.5。

S2、利用粒子軌跡模擬軟件獲得電子注在周期聚焦磁場下的運(yùn)動軌跡，得到電子注運(yùn)動軌跡的包絡(luò)。

在軸向周期磁場聚焦下，電子注的運(yùn)動存在軸向周期波動，如圖4所示。為了精確模擬電子注的運(yùn)動軌跡，采用粒子軌跡模擬軟件MTSS得到電子注的運(yùn)動軌跡，并將電子注的包絡(luò)用cosx函數(shù)進(jìn)行描述。

S3、在S1得到的螺旋線行波管冷匹配特性仿真模型的基礎(chǔ)上，將S2得到的具有包絡(luò)的波動電子注進(jìn)行分段建模，得到電子注加載的螺旋線行波管熱匹配特性仿真分析模型。

在螺旋線行波管中，采用周期磁場聚焦電子注，電子注的縱向運(yùn)動軌跡具有波動性。此時(shí)，電子注的包絡(luò)半徑以及所受到的周期聚焦磁場都是軸向周期函數(shù)，而電子注的等效材料屬性與電子注的半徑與聚焦磁場密切相關(guān)。為了更加精確地設(shè)定不同軸向位置等效電子注的材料屬性，需要將波動電子注進(jìn)行分段建模。將每一個軸向周期的電子注劃分為15等份，取每一等份的幾何中心處的包絡(luò)半徑與聚焦磁場的大小來確定該等份的等效材料屬性，并由每一等份的初始包絡(luò)半徑與結(jié)束包絡(luò)半徑建立圓柱體結(jié)構(gòu)模型，完成波動電子注的分段建模。

一個軸向周期波動電子注的分段建模示意圖見圖5。

S4、在電磁仿真軟件中設(shè)定各個分段電子注等效材料屬性。

根據(jù)發(fā)明內(nèi)容中電子注等效媒質(zhì)的公式推導(dǎo)，最終得到實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下，電子注等效的電磁煤質(zhì)是一種雙各向異性煤質(zhì)，不僅具有張量形式的介電率和磁導(dǎo)率還具有手征特性

其中和中各元素的值是關(guān)于頻率的函數(shù)，它們隨頻率變化的曲線如圖6、圖7和圖8所示。圖6為介電率變化圖，在6-18GHz范圍內(nèi)，介電率的值接近于1，無明顯變化；介電率的值接近于0，也無明顯變化；介電率的值都為負(fù)值，且隨頻率的增加而不斷增大。圖7為磁導(dǎo)率變化圖，在6-18GHz范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率與的值接近于1，無明顯變化；磁導(dǎo)率的值接近于0，也無明顯變化。圖8為手征參數(shù)變化圖，在6-18GHz范圍內(nèi)，手征參數(shù)ξ_g與ξ的值的數(shù)量級達(dá)到了10^-4，可忽略不計(jì)。

S5、利用CST模擬電子注加載后的螺旋線行波管的熱匹配特性，調(diào)整與優(yōu)化能量耦合器的尺寸，獲得滿足要求的熱駐波比。

加載了電子注的螺旋線行波管模型如圖9所示，電子注1是由S3的分段建模所得。通過對加載了電子注的螺旋線行波管熱匹配特性模型進(jìn)行仿真，并調(diào)整能量耦合器的尺寸，使得熱注波比滿足特定的指標(biāo)要求，得到滿足性能要求的能量耦合器。