CN110046370A - 一种应用数值场求解折叠波导结构特性阻抗的方法 - Google Patents
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Abstract
一种应用数值场求解折叠波导行波管特性阻抗的方法，采用了最大电压法确定波导端口电压及电流，并通过功率匹配校正波导端口的电压和电流值，可应用于折叠波导慢波结构阻抗特性计算。与传统解析方法或实验方法相比，本专利给出的基于数值场求解折叠波导行波管特性阻抗的方法具有通用性、便捷性、可靠性等诸多优点。该方法在每个相移点提取波导截面上不同格点的电磁场值，每个格点均包括电场和磁场，且为复数，分别包含实部和虚部。实际操作中，首先计算多个相移点的本征解，再由数值电磁场求解电压和电流，进而求解端口处的特性阻抗。本发明所采用的折叠波导行波管特性阻抗计算方法具有可扩展性、便捷性等优点。
Description
技术领域
本发明属于折叠波导行波管慢波结构电磁分析技术领域。在折叠波导行波管设计及注波互作用计算过程中，涉及一种慢波结构特性阻抗数值求解的方法，具体为一种利用最大电压法求解折叠波导特性阻抗的方法。
技术背景
折叠波导行波管具有全金属慢波结构，可以实现高频率、大功率及宽频带下的毫米波放大，常用于高分辨率雷达，卫星通信，毫米波成像及材料加工。随着对更高频率行波管的需求，诸如折叠波导类型的的慢波结构受到越来越多的关注，对其关键物理特性的分析有利于行波管设计及注波互作用计算。
在建立折叠波导行波管互作用理论模型时，需要提前确定折叠波导的一些高频参数，如特性阻抗等。波导特性阻抗定义为Zc＝Vi/Ii，因此需要求解电压Vi和电流Ii。传统的波导特性阻抗的求解方法有解析法和实验法。解析法只是基于矩形波导的特性，并未考虑折叠波导的弯曲及电子注通道的影响。实验法操作繁琐，效率低，且缺乏通用性。
正是在这样的背景下，基于电磁仿真软件对折叠波导结构进行数值仿真，提取目标位置数值场，进而对慢波结构的阻抗特性进行分析。相对于传统的测量方法，本发明具有通用性、便捷性、可靠性等诸多优点；同时，数值分析得到的其它物理量还能够作为注波互作用分析的输入参数。
发明内容
本发明提供了一种基于数值场计算折叠波导结构特性阻抗的方法，目的是为了解决采用传统实验方法或者解析方法精度低、效率低、操作繁琐等问题，且可应用于类似折叠波导慢波结构的金属结构的阻抗特性分析。本发明提供了一种利用最大电压法求解波导特性阻抗的方法。
具体技术方案如下：
步骤1、设定求解单周期折叠波导慢波结构的相移范围，在求解的相移范围内等间距选取N个相移。
步骤2、采用全波数值仿真方法对单周期结构某一相移点jn的本征模式进行仿真计算，获取本振频率fn、本征功率P0,n等参数。
步骤3、对波导横截面进行二维网格划分，形成坐标点文件，并从全波数值仿真软件中提取电磁场数值。
步骤4、Vi和Ii分别为端口最大电压及对应的电流
根据最大电压法求得特性阻抗Zc(jn)＝Vi/Ii。其中，Zc(jn)表示当前相移点jn对应的特性阻抗。
步骤5、根据当前相移点的数值本征功率，对端口功率进行校正，求得校正系数。
步骤6、重复步骤2-5，求解相移范围内的其余相移点的校正系数，取所有相移点的校正系数的平均值作为统一校正系数，用于端口电压及电流的校正，并计算所有相移点的特性阻抗，即得到了该折叠波导不同相移的特性阻抗曲线。
在上述方法的步骤5中，需要根据端口功率与数值本征功率来对端口电压及电流进行校正。波导输入及输出端口处的功率定义为
用电压和电流表示电场和磁场
如果端口电压定义为P0＝Re(VI*/2)，那么
为了使最大电压法计算的功率与数值仿真得到的本征功率相等，做如下变换
V→sV，I→sI，Pei＝s2P0 (12)
其中s为校正系数，P0为公式计算的功率,Pei为本征功率。在此假设下，特性阻抗未发生变化。
综上所述，本发明通过数值仿真获得折叠波导的数值场，通过数值本征功率对最大电压法得到的电压和电流进行校正，从而求解波导端口特性阻抗，极大提高了计算效率。
与现有技术方案相比，本发明专利可以获得如下的有益效果：
与传统解析方法或实验方法相比，本发明所涉及的提取数值场分布计算结构特性效率更高；
本发明所采用的数值计算方法可以扩展到类似波导型真空电子器件慢波结构。
附图说明
图1是本发明给出的单周期折叠波导慢波结构的示意图。
图2(a)为本发明中单周期折叠波导慢波结构端口网格点示意图。
图2(b)为本发明中索引编号为(u,v)的二维网格电磁场分量分布及编号示意图。
图3为本发明中端口截面的电场和磁场的积分路径示意图。
图4(a)为本发明实施例中端口功率校正值与本征功率的对比图。
图4(b)为本发明实施例中端口功率校正值与本征功率的相对误差图。
图5(a)为本发明实施例中折叠波导端口特性阻抗模拟法与公式法对比图。
图5(b)为本发明实施例中折叠波导端口特性阻抗模拟法与公式法的相对误差图。
表1为本发明实施例中未校正前不同相移点上的端口功率、本征功率模拟值及校正系数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种应用数值场求解折叠波导结构特性阻抗的方法做详细说明：
请先参阅图1给出的该折叠波导慢波结构的示意图。该结构为1个半周期折叠波导慢波结构，电磁波轴向相移为
其中，k为波数k＝ω/c，p为半周期长度。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以一个半周期折叠波导为例，其宽边长度为a＝2.96mm，窄边长度为b＝0.65mm，半周期长度为p＝0.88mm，通道半径为rc＝0.28mm，直波导长度为H＝0.8mm，如图1所示。金属材料为铜。采用全波数值仿真的方法计算得到半周期折叠波导的本征值及数值场分布。
结合附图2至图5来具体说明本实施方式：
步骤1、选定半周期相移范围为在求解的相移范围内等间距选取N＝9个频率，即Δθ＝20°。
步骤2、利用Ansoft HFSS电磁仿真软件，对本发明实施例的单周期结构的本征模式进行了仿真计算。首先，相移选定为求出所对应的本征值解，包括频率f1、功率P0,1。
步骤3、对波导横截面进行二维网格划分，形成坐标点文件。波导横截面x、y方向网格数目分别为nx＝50、ny＝30，网格大小为dx＝0.0592mm、dy＝0.0217mm。产生如图2(a)所示的网格点坐标文件，即可将对应坐标位置的电场和磁场从Ansoft HFSS中导出。
步骤4、按附图3给出的波导端口电场和磁场的积分路径，对电场和磁场进行积分，即可得到当前相移点的端口电压和电流。
步骤5、根据当前相移点的数值本征功率Pei,1和端口功率P0,1，对端口功率进行校正，从而获得校正系数s1＝0.8958，如表1所示。
步骤6、重复步骤2-5，求出其余8个相移点的校正系数，确定统一的校正系数s＝0.8894用于端口电压及电流的校正，即得到了该折叠波导不同相移的端口功率和特性阻抗曲线。
通过计算我们得到了图1所示折叠波导的端口功率和特性阻抗，分别如图4(a)、5(a)所示。从图4(b)和图5(b)给出了上述两个量相对于模拟值的误差，可以看出，校正以后频带内的功率与本征功率的相对误差绝对值小于2％。从图5(b)可以看出，公式法与HFSS得到的特性阻抗Kwg,10变化趋势一致。表1展示的是采用波导端口截面的电磁场所得的端口功率、本征功率模拟值及校正系数。从表中可以看出，各相移点的校正系数差异很小，这对于选择合适的校正系数至关重要。
表1
综上可见，本发明通过数值高频场计算端口电压电流功率，并通过与本征功率对参数进行校正，为解决复杂结构的物理特性提供了思路。
以上内容对本发明专利的实施例进行了详细地描述。需要着重强调的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，相关专业的技术人员可以在权利要求的范围内做出各种修改和拓展，但这并不影响本发明的实质内容。
Claims (3)
1.一种应用数值场求解折叠波导结构特性阻抗的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、设定求解单周期折叠波导慢波结构的相移范围，在求解的相移范围内等间距选取N个相移；
步骤2、采用全波数值仿真方法对单周期结构某一相移点jn的本征模式进行仿真计算，获取本振频率fn、本征功率P0,n等参数；
步骤3、对波导横截面进行二维网格划分，形成坐标点文件，并从全波数值仿真软件中提取电磁场数值；
步骤4、Vi和Ii分别为端口最大电压及对应的电流
根据最大电压法求得特性阻抗Zc(jn)＝Vi/Ii。其中，Zc(jn)表示当前相移点jn对应的特性阻抗；
步骤5、根据当前相移点的数值本征功率，对端口功率进行校正，求得校正系数；
步骤6、重复步骤2-5，求解相移范围内的其余相移点的校正系数，取所有相移点的校正系数的平均值作为统一校正系数，用于端口电压及电流的校正，并计算所有相移点的特性阻抗，即得到了该折叠波导不同相移的特性阻抗曲线。
2.根据权利要求1所述的一种应用数值场求解折叠波导结构特性阻抗的方法，其特征在于，所述步骤5中，需要根据端口功率与数值本征功率来对端口电压及电流进行校正；波导输入及输出端口处的功率定义为：
用电压和电流表示电场和磁场：
如果端口电压定义为P0＝Re(VI*/2)，那么
为了使最大电压法计算的功率与数值仿真得到的本征功率相等，做如下变换
V→sV，I→sI，Pei＝s2P0 (6)
其中s为校正系数，P0为公式计算的功率,Pei为本征功率。在此假设下，特性阻抗未发生变化。
3.根据权利要求1所述的一种应用数值场求解折叠波导结构特性阻抗的方法，其特征在于，根据波导截面长度和宽度方向数值场格点数nx和ny，提取不同格点位置的数值电场E(u,v)和磁场H(u,v)。
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