一种能量耦合器的热匹配优化设计方法技术

本发明专利技术属于微波真空电子器件CAD仿真设计领域，具体涉及一种能量耦合器的热匹配优化设计方法。本发明专利技术采用相对论电子注的等效媒质处理方法，将螺旋线行波管中周期磁场聚焦电子注等效为双各向异性的复杂电磁媒质，其等效的介电张量与磁导率张量反映了电子运动与电磁场的相对论效应。同时将等效电子注进行分段建模，更加精确地分析电子注加载对螺旋线行波管热匹配特性的影响，且通过对等效电子注进行分段建模精确反映电子注在周期磁场聚焦下电子注包络的波动性以及轴向聚焦磁场的周期性，其结果精确高效，为高性能空间应用螺旋线行波管的仿真分析与设计提供了一种行之有效的方法。

An optimal design method of thermal matching for energy coupler

The invention belongs to the field of CAD simulation design of microwave vacuum electronic devices, in particular to a heat matching optimization design method of an energy coupler. The invention adopts the relativistic electron beam equivalent medium method, the helix TWT magnetic focusing electron beam equivalent to double anisotropic complex electromagnetic medium cycle, the equivalent dielectric tensor and permeability tensor reflects the relativistic electron motion and electromagnetic field. At the same time the equivalent electron beam segment modeling, more accurate analysis of the influence of electronic injection, loading characteristics of the helix traveling wave tube heat, and based on the equivalent electron beam of piecewise modeling accurately reflect electron beam in periodic magnetic focusing under the fluctuation of electron beam envelope and the axial magnetic field is periodic, the result accurate and efficient that provides an effective method for simulation and design of high performance spiral pipe line traveling wave space application.

【技术实现步骤摘要】
一种能量耦合器的热匹配优化设计方法
本专利技术属于微波真空电子器件CAD仿真设计领域，具体涉及一种能量耦合器的热匹配优化设计方法。
技术介绍
螺旋线行波管是一类非常重要的微波电真空器件，具有大功率、宽频带、高增益和高效率等特点，广泛应用在雷达、电子对抗和卫星通信等领域。能量耦合器是螺旋线行波管的关键部件之一，负责实现电磁信号在管外传输线与螺旋线高频系统之间的能量耦合与传输。能量耦合器与螺旋线高频系统之间的能量耦合与传输示意图见图1。螺旋线行波管工作时，输入电磁信号从管外传输线经输入能量耦合器传输至螺旋线高频系统，并在高频系统内与电子注发生能量交换，将电子注的直流能量转化为电磁波能量，并经过输出能量耦合器传输至管外传输线。能量耦合器与螺旋线高频系统之间的匹配性能直接影响到螺旋线行波管的工作性能，因而螺旋线行波管的匹配性能设计是螺旋线行波管设计的一个重要环节。通常，在螺旋线行波管匹配性能设计时，设计人员通过优化能量耦合器的结构和尺寸以实现能量耦合器与螺旋线高频系统最佳的冷驻波特性，获得最佳的冷匹配性能。这种设计方法没有考虑螺旋线行波管正常工作时螺旋线高频系统内通过的电子注对电磁传输特性的影响。近年来，随着卫星通信等空间应用螺旋线行波管对效率和可靠性等提出更高的要求，开始对螺旋线行波管工作状态下，能量耦合器与螺旋线高频系统的热匹配情况(即热驻波比)提出要求。这就需要对电子注加载对螺旋线行波管匹配性能的影响进行分析，并以此优化能量耦合器，实现最佳的热匹配性能。电子注加载对螺旋线行波管匹配性能的影响分析通常是将电子注等效为具有一定介电张量的电各向异性特殊媒质，然后利用电磁仿真软件对进行仿真计算。分析电子注的等效介电张量时，直接在实验室坐标系下从麦克斯韦方程组出发，并假定：1)电子注中无直流空间场；2)沿轴向周期磁场聚焦，电子可以沿三维任意方向运动，电子交变速度、交变电流密度以及交变电场都存在三个方向的分量；3)小信号情况下，各交变分量按照波动，为波矢量，为位矢。在直角坐标系下，有：这里，为直角坐标系的坐标单位矢量，kx,ky,kz为波矢量分别沿着三个方向上的分量。x,y,z为直角坐标系的坐标分量。在如上假定下，电子的电荷密度ρ、电子速度电流密度及电场强度可以表示为：其中，同上，ρ1为电子注的交变电荷密度，ρ0为电子注直流电荷密度。vx,vy,vz为电子交变速度沿着三个方向上的分量，v0为电子的轴向直流分量。Jx,Jy,Jz为交变电流密度沿着三个方向上的分量，J0为电子的轴向直流电流密度。Ex,Ey,Ez为交变电场沿着三个方向上的分量。在以上基础上，从麦克斯韦方程组出发，得到电子注等效介电张量的矩阵表示：其中，ε0为真空的介电常数，j为虚数单位。这里，ω为角频率，kz,υ0与前同，ωp为电子注的等离子体频率，ωc为电子回旋角频率。这些物理量，以及推导电子注的等效介电张量的过程为本领域基本常识，这里不再赘述。由于在周期磁场聚焦时，电子注运动的包络半径与周期磁场都是轴向的周期函数。为了精确反映电子注的形状以及等效介电常数随轴向位置的变化，将等效电子注沿轴向划分为若干小段，取每段几何中心处的电子注半径与聚焦磁场，求出各段对应的等效介电张量，并利用电磁仿真软件分析电子注加载后螺旋线行波管的热驻波比和电磁传输性能。将电子注等效为介电张量为公式(7)的各向异性特殊媒质，得到的介电张量矩阵非常复杂，不具有简单的厄密矩阵性质，而且推导公式(7)的过程中采用了一些近似，同时没有考虑电子运动的相对论效应，因而是一种只适用于低速运动电子注的近似处理方法。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，本专利技术的目的是为了解决现有技术中将电子注等效为具有介电张量的各向异性特殊媒质分析螺旋线行波管的热匹配性能时，电子注的等效介电张量形式过于复杂，且不能反映电子运动与电磁场的相对论效应等局限，提供了一种能量耦合器的热匹配优化设计方法。本专利技术的技术方案为：一种能量耦合器的热匹配优化设计方法，包括以下步骤：S1、在电磁仿真软件中建立无电子注加载的螺旋线行波管冷匹配特性的仿真模型，并优化能量耦合器，使其满足冷驻波比要求。即通过优化能量耦合器，获得良好的冷驻波比，实现螺旋线行波管良好的冷匹配特性。S2、利用粒子轨迹模拟软件获得电子注在周期聚焦磁场下的运动轨迹，得到电子注运动轨迹的包络，并将电子注的包络用三角函数(如sinx或cosx)进行描述。S3、在步骤S1得到的螺旋线行波管冷匹配特性仿真模型的基础上，将步骤S2得到的具有包络的波动电子注进行分段建模，得到电子注加载的螺旋线行波管热匹配特性仿真分析模型。S4、在电磁仿真软件中设定各个分段电子注等效材料属性。将电子注等效为双各向异性的电磁媒质。借鉴有限引导磁场下相对论电子注的等效媒质处理办法，分析其材料属性，通过建立两套坐标系来研究纵向运动的电子注。一套坐标系为实验室坐标系，一套为运动坐标系。运动坐标系相对实验室坐标系以电子注的直流运动速度向纵向运动。在运动坐标系中，电子注可以被考虑成静止的磁化等离子体，其等效介电张量可表示为：其中，其中，ω′pe,ωc′e,ω′分别为运动坐标系统中电子的等离子体频率、电子回旋角频率与电磁波的角频率。这里，我们用带撇的物理量描述运动坐标系下的物理量。通过四维空间的洛伦兹变换得到ω′＝γ0(ω-kzv0)(14)这里，为电子注的相对论因子，为光速归一化电子注速度，v0为电子注的纵向速度，c为光速。kz为电磁波的纵向相位常数，ω为实验室坐标系下电磁波的频率。于是得到：根据运动坐标系下，电子注中的电磁场本构关系：以及运动坐标系与实验室坐标系下电磁场的变换关系，最后得到实验室坐标系下，电磁场的本构方程其中ε*，μ*和中各元素的具体表达式如下至此，电子注等效为双各向异性媒质，介电率和磁导率都具有张量形式。S5、将电子注的材料属性设置成步骤S4所得到的双各向异性电磁媒质，利用电磁仿真软件模拟电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性，调整与优化能量耦合器的尺寸，获得满足要求的热驻波比；完成电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性仿真模型后，即可直接利用电磁仿真软件模拟电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性，调整与优化能量耦合器的尺寸，获得满足要求的热驻波比。所述S1和S5中采用CST电磁仿真软件。本专利技术借鉴了相对论器件中相对论电子注的等效媒质处理方法。采用相对论电子注的等效媒质处理方法，将螺旋线行波管中周期磁场聚焦电子注等效为双各向异性的复杂电磁媒质，其等效的介电张量与磁导率张量反映了电子运动与电磁场的相对论效应。同时，仿真结合了传统螺旋线行波管热匹配特性分析方法，将等效电子注进行分段建模。更加精确地分析电子注加载对螺旋线行波管热匹配特性的影响，且通过对等效电子注进行分段建模精确反映电子注在周期磁场聚焦下电子注包络的波动性以及轴向聚焦磁场的周期性，其结果精确高效，为高性能空间应用螺旋线行波管的仿真分析与设计提供了一种行之有效的方法。综上所述，本专利技术实现了精确高效的能量耦合器的热匹配优化，为高性能空间应用螺旋线行波管的仿真分析与设计提供了一种行之有效的方法。附图说明图1为能量耦合器与螺旋线高频系统之间的能量耦合与传输示意图；图2为螺旋线行波管冷匹配特性仿真模型图；图3为螺旋线行波管高频系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量耦合器的热匹配优化设计方法，包括以下步骤：S1、在电磁仿真软件中建立无电子注加载的螺旋线行波管冷匹配特性的仿真模型，并优化能量耦合器，使其满足冷驻波比要求；即通过优化能量耦合器，获得良好的冷驻波比，实现螺旋线行波管良好的冷匹配特性；S2、利用粒子轨迹模拟软件获得电子注在周期聚焦磁场下的运动轨迹，得到电子注运动轨迹的包络，并将电子注的包络用三角函数进行描述；S3、在步骤S1得到的螺旋线行波管冷匹配特性仿真模型的基础上，将步骤S2得到的具有包络的波动电子注进行分段建模，得到电子注加载的螺旋线行波管热匹配特性仿真分析模型；S4、在电磁仿真软件中设定各个分段电子注等效材料属性；将电子注等效为双各向异性的电磁媒质，采用有限引导磁场下相对论电子注的等效媒质处理办法，分析其材料属性，通过建立两套坐标系来研究纵向运动的电子注；一套坐标系为实验室坐标系，一套为运动坐标系，运动坐标系相对实验室坐标系以电子注的直流运动速度向纵向运动，在运动坐标系中，电子注被考虑成静止的磁化等离子体；S5、将电子注的材料属性设置成步骤S4所得到的双各向异性电磁媒质，利用电磁仿真软件模拟电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性，调整与优化能量耦合器的尺寸，获得满足要求的热驻波比；完成电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性仿真模型后，即可直接利用电磁仿真软件模拟电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性，调整与优化能量耦合器的尺寸，获得满足要求的热驻波比。...

【技术特征摘要】
1.一种能量耦合器的热匹配优化设计方法，包括以下步骤：S1、在电磁仿真软件中建立无电子注加载的螺旋线行波管冷匹配特性的仿真模型，并优化能量耦合器，使其满足冷驻波比要求；即通过优化能量耦合器，获得良好的冷驻波比，实现螺旋线行波管良好的冷匹配特性；S2、利用粒子轨迹模拟软件获得电子注在周期聚焦磁场下的运动轨迹，得到电子注运动轨迹的包络，并将电子注的包络用三角函数进行描述；S3、在步骤S1得到的螺旋线行波管冷匹配特性仿真模型的基础上，将步骤S2得到的具有包络的波动电子注进行分段建模，得到电子注加载的螺旋线行波管热匹配特性仿真分析模型；S4、在电磁仿真软件中设定各个分段电子注等效材料属性；将电子注等效为双各向异性的电磁媒质，采用有限引导磁场下相对论电子注的等效媒质处理办法，分析其材料属性，通过建立两套坐标系来研究纵向运动的电子注；一套坐标系为实验室坐标系，一套为运动坐标系，运动坐标系相对实验室坐标系以电子注的直流运动速度向纵向运动，在运动坐标系中，电子注被考虑成静止的磁化等离子体；S5、将电子注的材料属性设置成步骤S4所得到的双各向异性电磁媒质，利用电磁仿真软件模拟电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性，调整与优化能量耦合器的尺寸，获得满足要求的热驻波比；完成电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性仿真模型后，即可直接利用电磁仿真软件模拟电子注加载后的螺旋线行波管的热匹配特性，调整与优化能量耦合器的尺寸，获得满足要求的热驻波比。2.如权利要求1所述能量耦合器的热匹配优化设计方法，其特征在于：所述三角函数为sinx或cosx。3.如权利要求1所述能量耦合器的热匹配优化设计方法，其特征在于：所述S1和S5中采用CST电磁仿真软件。4.如权利要求1所述能量耦合器的热匹配优化设计方法，其特征在于：所述S4双各向异性的电磁媒质的具体等效过程如下：电子注的等效介电张量表示为：其中，其中，ω′pe,ω′ce,ω′分别为运动坐标系统中电子的等离子体频率、电子回旋角频率与电磁波的角频率；用带撇的物理量描述运动坐标系下的物理量，通过四维空间的洛伦兹变换得到ω′＝γ0(ω-kzv0)(2)为电子注的相对论因子，为光速归一化电子注速度，v0为电子注的纵向速度，c为光速。kz为电磁波的纵向相位常数，ω为实验室坐标系下电磁波的频率，于是得到：

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小芳，范晓梅，胡权，胡玉禄，李斌，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51