[发明专利]一种速调管TESLA理论输入腔耦合项处理方法

说明书

本发明属于微波电真空领域速调管模拟仿真领域，具体涉及一种速调管TESLA理论输入腔耦合项处理方法。本发明提出了一种速调管TESLA理论输入腔耦合项处理方法，可以快速准确地计算TESLA理论模型中输入输出耦合项相关的外接波导特性阻抗Z_wg、耦合系数C_k,s、输入波导工作模式电压幅值系数V₊。通过引入一种修正的输入功率P和波导工作模式电压幅值系数V₊的关系式，利用现有电磁模拟软件进行一次本征和一次驱动模式仿真即可实现TESLA理论对任意输入功率下速调管高频谐振腔内电磁场的快速准确模拟，克服了耦合系数C_k,s难于计算以及V₊难以确定的困难。实现了TESLA理论对任意输入功率下速调管高频谐振腔内电磁场的快速准确模拟。

技术领域

本发明属于微波电真空领域速调管模拟仿真领域。具体涉及一种速调管TESLA理论输入腔耦合项处理方法。

背景技术

速调管放大器是当前微波频段大功率、高增益的主要器件，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。

速调管目前主要采用CST、HFSS、MAGIC等大型商业软件结合一些针对速调管的专用注波互作用模拟软件来进行计算机仿真设计。大型商业软件属于通用电磁与粒子仿真软件，其功能强大，适应各种器件的电磁和粒子仿真。其不足就是模拟仿真时间长，尤其是互作用的准确模拟，导致理论设计周期延长。各国研究机构提出的一系列针对速调管的模拟设计理论与代码，如基于圆盘模型的速调管大信号理论、美国海军实验室(NRL)的TESLA理论等，其具有计算速度快、精度高的优势，恰好可以弥补大型商用软件的不足，被广泛用于速调管的仿真设计中。

典型速调管高频谐振腔结构见图1。在针对速调管的模拟设计理论与代码中，美国海军实验室(NRL)提出的TESLA理论模型根据速调管高频结构的特点，将高频场分为电子注通道和外部谐振腔两个区域内的场，并分别进行模式展开，得到了基于广义电报方程的速调管高频场计算模型。该模型因其计算速度快、精度高等特点而被广泛应用。TESLA理论模型的具体细节为现有技术，这里不在赘述。

在TESLA理论模型中，采用广义电报方程来描述电子注通道和外部谐振腔两个区域内的电磁场。电子注通道内电磁场的广义电报方程方程如式(1)、(2)所示：

高频谐振腔内的电压和电流幅度随时间演变的方程见式(3)和式(4)

式(4)中，描述了高频谐振腔外接波导以及电磁功率的馈入和引出情况。对于无外接波导的高频谐振腔，对于外接波导的高频谐振腔，Z_wg表示外接波导的特性阻抗，由波导的结构和尺寸给出。V₊表示与一定入射功率P₊对应的输入波导工作模式电压幅值系数。

C_k,s为外接波导中的k模式与腔体中的本征模式s的耦合系数。定义为

式(5)中积分区域S_hole表示高频谐振腔与外接波导耦合口，表示外接波导k模式的本征电场分布，表示谐振腔的本征模式s的本征磁场分布，表示耦合口外向法向量。