[发明专利]一种速调管TESLA理论输入腔耦合项处理方法

摘要

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Zwg、耦合系数Ck,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Ck,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。

主权项

1.一种速调管TESLA理论输入腔耦合项处理方法，包括以下步骤：S1、在电磁仿真软件中建立目标速调管高频谐振腔结构模型，并对其进行本征分析，得到高频谐振腔的固有品质因素Q0，特性阻抗R/Q和本征频率ωs；S2、在目标速调管高频谐振腔的基础上加入波导构成输入/输出腔，然后在电磁仿真软件中建立结构模型，并进行驱动模式仿真；设置波端口输入功率为P，仿真得到场分布、群时延曲线，并由此计算工作频率ω，外观品质因子Qext及对应输入功率P下的间隙电压U以及高频谐振腔的储能W0；其中外观品质因子Qext计算公式为τg为群时延，ω工作频率；ω和τg均可由群时延曲线上读取，腔体储能W0根据计算得到；S3、根据波导形状及尺寸计算工作模式的特性阻抗Zwg；对矩形波导，特性阻抗Zwg计算公式为式(3)中m、n表示模式编号，a、b为输入波导宽边、窄边尺寸，ω为工作频率、c＝3×1010cm/s，j为虚数单位；S4、根据目标速调管谐振腔与外接波导的耦合关系式(|Ck,s|2Zwg)‑1＝Qext计算耦合系数Ck,s；速调管谐振腔与外接波导之间的耦合关系式满足(|Ck,s|2Zwg)‑1＝Qext    (4)根据步骤S2得到的外观品质因素Qext和步骤S3得到的波导特性阻抗Zwg得到|Ck,s|；取Ck,s相位为0，则Ck,s＝|Ck,s|；S5、计算稳态时与输入功率P对应的波导工作模式电压幅值系数V+；将稳态时腔体电压电流幅值分别记为V_s′、I′_s，忽略式(3)中电子注通道与外腔的耦合项，此时I_s′与V_s′存在关系将式(10)代入式(4)，消去电压幅值Vs′，得到稳态时腔体电流幅度系数I′s与波导工作模式电压幅值系数V+的关系式，见式(11)；利用TESLA中腔体储能公式结合式(7)得到利用步骤S1中得到的本征频率ωs、步骤S2中得到的工作频率ω和腔体储能W0，得到与输入功率P对应的稳态腔体电流幅度|Is′|，取Is′相位为0，即Is′＝|Is′|；通过式(8)即可得到与输入功率P对应的波导工作模式电压幅值系数V+，S6、建立修正的电压V+与输入总功率P关系式，并计算修正系数β；根据波导工作时工作模式对应入射波电压幅值系数V₊与其入射功率P₊之间的关系式建立修正的输入功率P与波导工作模式电压幅值系数V₊的关系式，即其中β为修正系数；利用步骤S5得到的与输入功率P对应的V+，结合步骤S3得到的波导特性阻抗即可确定修正系数β。S7、根据修正的输入功率P与波导工作模式电压幅值系数V₊的关系式即可得到任意输入功率对应P对应的V₊。