一种曲线轮廓回旋行波管高频和磁场分布协同设计方法技术

本发明专利技术公开了一种曲线轮廓回旋行波管高频结构和磁场分布协同优化设计方法，属于毫米波和太赫兹技术领域。本发明专利技术方法首先建立曲线轮廓回旋行波管性能参数与高频结构参数间的映射关系，然后利用线性高频段的色散关系和传播特性，计算最佳预群聚态的电子注的能量分布和相位分布，最后建立适应度函数评估回旋行波管性能，通过全局优化算法，对回旋行波管进行协同优化。本发明专利技术通过多螺线管线圈磁体与口径渐变的高频结构匹配设计，提升设计自由度；引入了全局优化算法，使得电子注与高频场在宽带内进行最大程度匹配换能，最终实现了给定性能指标条件下的曲线轮廓回旋行波管高频结构与磁场分布协同优化设计。磁场分布协同优化设计。磁场分布协同优化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种曲线轮廓回旋行波管高频和磁场分布协同设计方法


[0001]本专利技术属于毫米波和太赫兹
，具体涉及一种曲线轮廓回旋行波管高频结构和磁场分布协同优化设计方法，应用于宽频带高效率回旋行波管放大器设计。
技术背景
[0002]回旋行波管(gyro
‑
TWT)是一种基于电子回旋脉塞不稳定性机理进行放大工作的电子器件。在毫米波波段，回旋行波管放大器具有高宽带和高功率等优点。随着高速通信、电子对抗和先进雷达等系统的发展，新一代系统对于大功率源器件的工作频率、带宽、效率等综合性能指标提出了更严苛的要求。通常，放大器的带宽和效率是相互制约，难以获得同步提升。国际上报道的百千瓦级毫米波回旋行波管的带宽最高仅8％，带内效率低于20％，现有结构难以获得进一步提升(A.A.Bogdashov et al,IEEE Electron Device Letters,42(1):98
‑
101,Jan.2021,doi:10.1109/LED.2020.3039802)。
[0003]具有曲线轮廓的回旋行波管高频结构包括：输入调制段、以及高频结构(高频结构由线性高频段和非线性高频段组成；外围设置多螺线管磁体，其决定了注
‑
波互作用的磁场分布)。通常回旋行波管在设计优化时，对线性高频段和非线性高频段参数整体设计，即使设计非线性高频段仍需重复计算整个高频结构，且涉及的介质材料参数众多，计算繁杂。对回旋行波管进行优化设计时，难以满足高的综合性能指标要求。

技术实现思路
/>[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种曲线轮廓回旋行波管高频结构和磁场分布协同优化设计方法。该方法提出了渐变口径回旋行波管高频设计的大信号方法，建立了回旋行波管性能影响参数与多螺线管磁体形位参数、高频结构参数间的映射关系，通过多螺线管线圈磁体与口径渐变的高频结构匹配设计，提升设计自由度，并引入全局优化算法，使得电子注与高频场在宽带内进行最大程度匹配换能，最终实现了给定性能指标条件下的曲线轮廓回旋行波管高频结构与磁场分布协同优化设计。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种曲线轮廓回旋行波管高频和磁场分布协同设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1.建立曲线轮廓回旋行波管性能参数与高频结构参数间的映射关系。
[0008]所述曲线轮廓高频回旋行波管的性能参数包括：不同频率点的高频场功率分布P(z)、效率分布η(z)，其中z表示高频结构的归一化纵向位置。
[0009]所述高频结构参数包括：曲线高频轮廓r(z)及多螺线管磁体控制的磁场分布B(z)。
[0010]口径缓慢渐变的非线性高频段中，横向波数分布k
t
(z)及其归一化值κ(z)、纵向波数分布k
z
(z)及其归一化值h(z)分别为：
[0011][0012]上式中，k是电磁波波数，x
mn
是第m阶贝塞尔函数的导数J
′
m
(x)＝0的第n个方根，h(z)是归一化纵向波数。
[0013]建立曲线高频轮廓r(z)和磁场分布B(z)条件下的注
‑
波互作用的映射关系：
[0014][0015]其中，ξ(z)是归一化拉莫半径，w(z)是归一化电子能量变化量，θ(z)是相位缓变量，θ0为初始相位缓变量，F(z)是归一化高频场幅值，L
s
(z)为结构因子，L
*s
(z)为其共轭，J
s
(ξ)为第s阶贝塞尔函数，J
s
′
(ξ)为其导数，Im()表示因式虚部，Re()表示因式实部，F(z)是归一化高频场幅值，Δ(z)是电子注与高频场间的归一化频率失谐量，I0(z)是电流参数，μ(z)是注
‑
波同步条件影响因子，l(z)是纵向换能相关的系数，系数l(z)＝h(z)β
2t0
/[2β
z0
(1
‑
h(z)β
z0
)]，β
z0
是初始归一化纵向速度，β
t0
是初始归一化横向速度。
[0016]归一化电流参数I0(z)、拉莫尔半径ξ(z)由以下公式给出：
[0017][0018][0019][0020]其中I
b
是工作电流，N
s
(z)为描述高频场功率密度的量，γ0是初始相对论因子，ω是电子回旋角频率，s是谐波次数，c为光速，e和m0分别是电子电荷和电子的静止质量。
[0021]沿纵向的磁场分布为B(z)，电子的回旋频率Ω(z)和失谐量Δ(z)分布为：
[0022][0023][0024]式中，γ(z)为不同位置的相对论因子。
[0025]给定工作磁场B0(z)与切点磁场B
g
(z)约束条件：
[0026][0027]在实际工程中，设置c1取值范围为96％～99％，c2取值范围为100％～101％。考虑到适当的磁场失谐量即可实现注
‑
波互作用强耦合，因此与传统设计要求不同，本专利技术不需要设置相同的强约束条件，即可实现所需带宽内最大的能量交换，这大大的提升了磁场分布的设计自由度。
[0028]行波管中归一化高频场幅值F(z)和功率分布P(z)之间的关系为：
[0029][0030]对于口径缓变的非线性高频段，不同位置的功率流相同，因此在相邻两段微元的交界点z处有：
[0031]N
s
(z)|F(z)|2＝const.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0032]互作用效率分布η(z)为：
[0033][0034]式中，U
b
为器件的工作电压。
[0035]S2.利用线性高频段的色散关系和传播特性，计算最佳预群聚态的电子注的能量分布w(z)、相位分布θ(z)。
[0036]电子进入回旋行波管的输入调制段后，与注入的高频场发生互作用，在线性高频段中(介质加载波导)电子注进行预群聚。电子预群聚在线性高频段的末端完成，通过调整注入高频场的输入功率，能够实现最佳群聚。
[0037]利用S1中式(4)和式(6)，计算式(1)中的归一化横向波数κ(z)和纵向波数h(z)；再结合式(1)、式(3)
‑
式(11)，对式(2)进行数值求解，进而得到电子注能量分布w(z)、相位分布θ(z)及归一化高频场幅值分布F(z)，提取并保存最佳预群聚态的电子注的能量分布和相位分布。
[0038]对式(2)进行数值求解的方式可采用龙格库塔法，将非线性高频段在纵向上均匀分割为若干个微元进行等效计算。
[0039]S3.综合S1和S2，建立适应度函数以评估回旋行波管性能，通过全局优化算法，对回旋行波管进行协同优化。
[0040]行波管高频结构连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种曲线轮廓回旋行波管高频和磁场分布协同设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立曲线轮廓回旋行波管性能参数与高频结构参数间的映射关系；所述曲线轮廓高频回旋行波管的性能参数包括：不同频率点的高频场功率分布P(z)、效率分布η(z)，其中z表示高频结构的归一化纵向位置；所述高频结构参数包括：曲线高频轮廓r(z)及多螺线管磁体控制的磁场分布B(z)；口径缓慢渐变的非线性高频段中，横向波数分布k
t
(z)及其归一化值κ(z)、纵向波数分布k
z
(z)及其归一化值h(z)分别为：上式中，k是电磁波波数，x
mn
是第m阶贝塞尔函数的导数J
′
m
(x)＝0的第n个方根，h(z)是归一化纵向波数；建立曲线高频轮廓r(z)和磁场分布B(z)条件下的注
‑
波互作用的映射关系：其中，ξ(z)是归一化拉莫半径，w(z)是归一化电子能量变化量，θ(z)是相位缓变量，θ0为初始相位缓变量，F(z)是归一化高频场幅值，L
s
(z)为结构因子，L
*s
(z)为其共轭，J
s
(ξ)为第s阶贝塞尔函数，J
s
′
(ξ)为其导数，Im()表示因式虚部，Re()表示因式实部，F(z)是归一化高频场幅值，Δ(z)是电子注与高频场间的归一化频率失谐量，I0(z)是电流参数，μ(z)是注
‑
波同步条件影响因子，l(z)是纵向换能相关的系数，系数l(z)＝h(z)β
2t0
/[2β
z0
(1
‑
h(z)β
z0
)]，β
z0
是初始归一化纵向速度，β
t0
是初始归一化横向速度；归一化电流参数I0(z)、拉莫尔半径ξ(z)由以下公式给出：(z)、拉莫尔半径ξ(z)由以下公式给出：
其中I
b
是工作电流，N
s
(z)为描述高频场功率密度的量，γ0是初始相对论因子，ω是电子回旋角频率，s是谐波次数，c为光速，e和m0分别是电子电荷和电子的静止质量；沿纵向的磁场分布为B(z)，电子的回旋频率Ω(z)和失谐量Δ(z)分布为：沿纵向的磁场分布为B(z)，电子的回旋频率Ω(z)和失谐量Δ(z)分布为：式中，γ(z)为不同位置的相对论因子；给定工作磁场B0(z)与切点磁场B
g
(z)约束条件：设置c1取值范围为96％～99％，c2取值范围为100％～101％；行波管中归一化高频场幅值F(z)和功率分布P(z)之间的关系为：对于口径缓变的非线性高频段，不同位置的功率流相同，因此在相邻两段微元的交界点z处有：N
s
(z)F(z)2＝const.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)互作用效率分布η(z)为：式中，U

【专利技术属性】
技术研发人员：姚叶雷，黄海兵，戴欣哥，鄢然，王建勋，李昊，刘国，蒋伟，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：