CN112214847B - 一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法。本发明针对行波管电子枪和磁系统设计中仿真磁场与实际磁场因起始1/4周期差异造成的电子枪仿真结果不同的问题，提出了一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法；本发明通过合理设置半周期磁场的峰值配比，使得仿真磁场分布和实际磁场分布的电子枪仿真注型保持一致，有效减少了行波管电子枪和磁系统设计的时间成本和人力成本，极大地提高了行波管电子枪和周期永磁聚焦系统的设计效率。

Description

一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法
技术领域
本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法。
背景技术
行波管是一种重要的微波信号放大器，在卫星通信、电子对抗、雷达卫星等军事领域有着广泛应用。在电子对抗快速发展的当前时期，高性能行波管一直都是国内外所青睐的选择。而电子注质量的好坏是行波管能否实现高性能的重要因素。
影响电子注质量的主要因素除了发射电子的电子枪，还有聚焦系统。作为行波管重要的组成部分，聚焦系统的主要作用是聚焦和维持电子注，减小电子注波动，进而获得最佳注波互作用，实现所需电子效率和输出功率等性能。聚焦系统对行波管的电子效率、稳定性和寿命等因素都具有直接影响。其中，周期永磁聚焦系统由于具有体积小、重量轻、本身不消耗功率等优点，已成为电真空器件中电子注聚焦的有效方法且被大量用于中小功率行波管。
在行波管设计过程中，利用三维电磁仿真设计软件计算一次周期永磁聚焦系统，获得其磁场分布，通常要花2至3个小时。在考虑磁场影响的电子枪设计中，为了获得良好的电子注轨迹，需要不断地调整磁场。如果每一次磁场调整，都进行三维聚焦磁场的计算，将极大降低电子枪以及聚焦系统的设计和研制效率。为了节约时间与成本，通常在仿真设计软件中采用手动设置的仿真磁场替代周期永磁聚焦系统计算的实际磁场分布，在此基础上对电子枪结构进行优化设计。在仿真电子枪电子注轨迹达到需求后，再根据仿真磁场分布设计周期永磁聚焦系统，计算周期永磁聚焦系统产生的实际磁场分布并回代复算。
但是，通常情况下，手动设置的仿真磁场和根据仿真磁场设计的周期永磁聚焦系统计算得到的实际磁场分布并不能做到完全一致，而其最主要的不同在于起始1/4周期内的磁场分布(参见图1)。由于周期永磁聚焦系统的边缘效应，其产生的周期磁场的边缘并不是严格的正弦曲线。而在电子枪仿真计算过程中，通常采用一系列不同峰值的半周期正弦分布来描述磁场分布，并在此基础上设计电子枪和周期永磁聚焦系统。因此，经常会出现将实际磁场分布回代电子枪后，计算得出的电子枪电子注轨迹与仿真磁场的计算轨迹存在较大差异的情况，从而需要重新设计电子枪。如此反而极大增加了行波管电子枪仿真设计的时间成本和人力成本。因此，减少仿真磁场与实际磁场差异造成的电子注特性的变化，使得利用仿真磁场设计通过的电子枪性能与设计的周期永磁聚焦系统的实际磁场分布下的性能尽可能一致，从而提高电子枪和周期永磁聚焦系统的设计效率，是亟需解决的问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有行波管周期永磁聚焦系统设计方法效率相对低下的问题，本发明的目的在于提供一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法。在行波管电子枪设计过程中，通过合理设置仿真磁场的峰值，使得仿真磁场与实际磁场的电子枪电子注轨迹仿真结果尽可能保持一致，减少仿真消耗的时间成本和人力成本，提高生产效率。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。一种行波管周期永磁聚焦系统磁场设计方法包括以下步骤：
S1、根据行波管结构，获得输入针到阴极底部的距离L0、磁钢长度T1和极靴长度T2，结合输入针前面的磁钢数量n计算得出正弦周期磁场的第一个峰值距离阴极的位置L(参数对应位置参见图2)
L＝L0-n×(T1+T2)
在不添加磁场的情况下，对行波管电子枪结构进行仿真并查看结果。若仿真结果电子注的注型包络曲线在第一个峰值磁场对应轴向位置的切线方向不与轴线方向平行或在该位置的注半径与工作要求注半径的比值超过120％，则需对电子枪的结构进行重新设计与优化，直至电子注的注型包络曲线在第一个峰值磁场对应轴向位置的切线方向与轴线方向平行且该位置的注半径与工作要求注半径比值不超过120％。
S2、在满足S1对电子枪性能要求的基础上，根据该条件下第一个周期磁场峰值所在位置对应的注半径a、行波管工作电压U和工作电流I计算得出该位置对应的布里渊磁场Bp；
Figure BDA0002688610040000021
S3、设置仿真磁场的第一个半周期的峰值，大小为布里渊磁场Bp的1.1～1.2倍；将第二个半周期的峰值设置为布里渊磁场Bp的1.65～1.7倍；
S4、在仅添加两个半周期磁场的情况下进行电子枪仿真，观察注型结果，以保证注型在两个半周期磁场范围内维持在所需注半径为基准，调整S3中的两个半周期磁场峰值。在此基础上，依次对随后的连续5～6个半周期的磁场峰值进行递增设置，起始为1.5～1.55倍的布里渊磁场Bp，每设置1～2峰值进行一次仿真，每一次的结果都需要保证注型磁场范围内维持在所需注半径，且最后一个半周期磁场峰值控制在2.2～2.3倍Bp。
S5、在S3和S4的基础上，将后续磁场峰值设置与S4的最后一个峰值保持一致，进行完整的考虑磁场分布的电子枪仿真，保证注型在输入针之后维持在所需注半径以内。
S6、根据步骤S1～S5确定的仿真磁场峰值分布、行波管要求的磁钢内外半径、极靴长度以及通道半径，进行周期永磁聚焦系统的设计，计算得到周期永磁聚焦系统实际的磁场分布，回代电子枪进行复算。
将最终得到的仿真磁场与实际磁场的仿真结果进行对比：若二者的仿真结果一致，则完成电子枪和周期永磁聚焦系统的设计。若实际磁场下电子枪仿真电子注轨迹不能满足注型要求，则返回S3，在已有基础上微调各个半周期磁场的峰值，直至得到满足要求的电子注轨迹。
本发明的有益效果是：本发明针对行波管电子枪和磁系统设计中仿真磁场与实际磁场因起始1/4周期差异造成的电子枪仿真结果不同的问题，提出了一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法。该发明通过合理设置半周期磁场的峰值配比，使得仿真磁场分布和实际磁场分布的电子枪仿真注型保持一致，有效减少了行波管电子枪和磁系统设计的时间成本和人力成本，极大地提高了行波管电子枪和周期永磁聚焦系统的设计效率。
附图说明
图1(a)是本发明中仿真磁场和(b)实际磁场起始1/4周期对比图；
图2是本发明中电子枪与周期永磁聚焦系统相关结构参数示意图；
图3是本发明的周期永磁聚焦系统设计方法流程图；
图4是实施例无磁场情况下电子枪1的注型包络曲线；
图5是实施例电子枪1仿真磁场分布对应电子注仿真注型包络；
图6是实施例电子枪1实际磁场分布对应电子注仿真注型包络；
图7是实施例无磁场情况下电子枪2的注型包络曲线；
图8是实施例电子枪2仿真磁场分布对应仿真注型包络；
图9是实施例电子枪2实际磁场分布对应仿真注型包络。
具体实施方式
下面以行波管电子枪1和行波管电子枪2为例，结合附图结果对本发明的技术方案进行详细阐述。电子枪仿真结果是利用电子科技大学开发的微波管模拟软件套装MTSS中的电子光学模块EOS计算得到。
一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法包括有以下步骤：
(1)根据目标行波管的已设计结构获得相关参数，计算得出该正弦周期磁场的第一个峰值的所在位置，在不添加磁场的情况下进行仿真，查看该位置的电子注注型包络曲线，如图4所示的电子枪1中，虽然所求的第一峰值位置(图4中水平垂直交叉点)的电子注半径与要求值的比值是满足要求的，但其切线方向已呈明显的倾斜，没有与阴极的轴线方向平行，说明该位置的电子注已呈发散趋势，不符合要求，需要对电子枪的结构进行重新设计与优化。
如果不对电子枪结构进行优化并尝试通过设置合理的磁场峰值进行优化的话，如图5所示，手动设置的仿真磁场也同样能够将注型压缩至所需半径，但是根据这个分布仿真得到的相应实际磁场分布的仿真结果会如图6所示，与设置磁场的结果产生了巨大差异，电子注甚至打在了内壁上产生了截获电流，极大降低了行波管的工作效率，同时需要对磁场进行重新仿真，增大了时间成本。
(2)在对电子枪的结构进行优化之后，得到了如图7所示的电子枪2的无磁场仿真结果，从图中可以看出，在该电子枪结构下，上述位置(图7中水平垂直交叉点)对应的电子注包络曲线的切线呈水平，且注半径也符合要求值，符合之前的条件。因此按照流程所示，根据该位置的注半径，电子枪的工作电压，工作电流，电子注的填充比计算得出该位置对应的布里渊磁场。
(3)设置理想仿真磁场的第一个半周期峰值，大小为计算得到的布里渊磁场的1.2倍，将随后第二个半周期磁场峰值设置在布里渊磁场的1.65～1.7倍之间，并在仅添加两个半周期磁场的情况下进行电子枪仿真。
(4)观察仿真得到的注型结果并对这两个半周期的磁场峰值进行调整，保证注型在磁场范围内维持在所需注半径。在此基础上，依次对后续的连续5～6个半周期的磁场峰值进行递增设置，起始为1.5～1.55倍的布里渊磁场。每设置1～2峰值进行一次仿真，每一次的结果都需要保证注型在磁场范围内维持在所需注半径，最后一个半周期磁场峰值控制在2.2～2.3倍。
(5)在S3和S4的基础上，将后续磁场峰值设置与S4的最后一个峰值保持一致，进行考虑磁场分布的完整的电子枪仿真，保证注型在输入针之后维持在所需注半径以内。由此可到如图8所示的电子轨迹曲线，在输入针之后，整个注型都维持在了所需注半径以内，符合工作要求。
(6)根据已确定的仿真磁场峰值分布方案，目标行波管的磁钢内外半径和长度，极靴的长度这些相关参数建立相应的磁系统工程，并进行周期永磁聚焦系统的设计，计算得到周期永磁聚焦系统实际的磁场分布，回代电子枪进行复算。得到如图9所示的电子注包络曲线，从图中可以看出，磁场前1/4周期的不同并未引起注型的巨大改变，因此只需在该磁场分布方案的基础上微调各个半周期的峰值即可达到优化的目的。结合电子枪1的仿真结果图5和图6，对比电子枪2图8和图9的仿真结果可以得出结论，采用本发明的聚焦磁场设计方法，能够有效减小理想磁场和实际磁场因起始1/4周期差异造成的电子枪仿真结果的不同，减小了时间成本和人力成本，提高了仿真效率。
根据上述实施例的数据可见，本发明针对行波管电子枪和磁系统设计中仿真磁场与实际磁场因起始1/4周期差异造成的电子枪仿真结果不同的问题，提供了一种行波管周期永磁聚焦系统设计方法，通过合理设置半周期磁场的峰值配比，使得仿真磁场分布和实际磁场分布的电子枪仿真注型保持一致，有效减少了行波管电子枪和磁系统设计的时间成本和人力成本，极大地提高了行波管电子枪和周期永磁聚焦系统的设计效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示作出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种行波管周期永磁聚焦系统磁场设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据行波管结构，获得输入针到阴极底部的距离L0、磁钢长度T1和极靴长度T2，结合输入针前面的磁钢数量n计算得出正弦周期磁场的第一个峰值距离阴极的位置L
L＝L0-n×(T1+T2)
在不添加磁场的情况下，对行波管电子枪结构进行仿真并查看结果；若仿真结果电子注的注型包络曲线在第一个峰值磁场对应轴向位置的切线方向不与轴线方向平行或在该位置的注半径与工作要求注半径的比值超过120％，则需对电子枪的结构进行重新设计与优化，直至电子注的注型包络曲线在第一个峰值磁场对应轴向位置的切线方向与轴线方向平行且该位置的注半径与工作要求注半径比值不超过120％；
S2、在满足S1对电子枪性能要求的基础上，根据该条件下第一个周期磁场峰值所在位置对应的注半径a、行波管工作电压U和工作电流I计算得出该位置对应的布里渊磁场Bp；
Figure FDA0002688610030000011
S3、设置仿真磁场的第一个半周期的峰值，大小为布里渊磁场Bp的1.1～1.2倍；将第二个半周期的峰值设置为布里渊磁场Bp的1.65～1.7倍；
S4、在仅添加两个半周期磁场的情况下进行电子枪仿真，观察注型结果，以保证注型在两个半周期磁场范围内维持在所需注半径为基准，调整S3中的两个半周期磁场峰值；在此基础上，依次对随后的连续5～6个半周期的磁场峰值进行递增设置，起始为1.5～1.55倍的布里渊磁场Bp，每设置1～2峰值进行一次仿真，每一次的结果都需要保证注型磁场范围内维持在所需注半径，且最后一个半周期磁场峰值控制在2.2～2.3倍Bp；
S5、在S3和S4的基础上，将后续磁场峰值设置与S4的最后一个峰值保持一致，进行完整的考虑磁场分布的电子枪仿真，保证注型在输入针之后维持在所需注半径以内；
S6、根据步骤S1～S5确定的仿真磁场峰值分布、行波管要求的磁钢内外半径、极靴长度以及通道半径，进行周期永磁聚焦系统的设计，计算得到周期永磁聚焦系统实际的磁场分布，回代电子枪进行复算；
将最终得到的仿真磁场与实际磁场的仿真结果进行对比：若二者的仿真结果一致，则完成电子枪和周期永磁聚焦系统的设计；若实际磁场下电子枪仿真电子注轨迹不能满足注型要求，则返回S3，在已有基础上微调各个半周期磁场的峰值，直至得到满足要求的电子注轨迹。
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