行波管通用注波互作用软件开发

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近年来,由于通信、安检成像、生物医学诊断等领域对太赫兹源的迫切需求,行波管作为一种重要的真空电子太赫兹源引起了国内外学者的广泛关注,同时涌现了一大批新型结构的太赫兹行波管,以期突破电真空器件尺寸的限制。行波管注波互作用过程是行波管工作的核心,是行波管性能设计的关键。因此,开发通用的注波互作用模拟软件,应对这些新型太赫兹行波管的仿真设计具有重要的意义。国外NRL已经开发了行波管注波互作用通用代码TESLA-TWT。国内电子科技大学彭维峰博士基于CHRISTINE模型提出了通用注波互作用理论,本文将进一步研究行波管通用注波互作用理论以及相关的软件实现技术。本文基于Visual Studio 2010平台,在本课题组开发的电磁模拟套装MTSS的框架下开发了通用理论模拟程序。利用MTSS的高频求解器HFCS可以快速仿真计算得到慢波结构的高频特性参数以及高频电场分布,将这些参数量作为通用理论程序的输入参量,按照通用理论程序的模拟流程可完成任意慢波结构的整个注波互作用模拟。此外,为了模拟实际行波管中复杂的跳变\渐变慢波结构,本文提出了高频场分布匹配方法。对于高频跳变结构,需要分别模拟跳变前后的结构所对应的单周期结构,并在拼接高频场分布时进行高频场匹配处理,使得整个慢波结构的高频场分布功率守恒,相位连续。对于渐变结构,可采用多段跳变的方法来进行处理。为了验证通用理论程序的通用性和准确性,本文利用通用理论程序对螺旋线和耦合腔行波管注波互作用进行了仿真计算,并将其频段范围内的饱和输出功率与MTSS的模拟结果进行了对比,对比结果显示两者的计算结果基本一致。此外本文还模拟了一支太赫兹波段折叠波导行波管和一支太赫兹新型梳齿型行波管(DCW TWT),并将其中心频率处的输出功率与CST进行了对比。通用理论程序与CST的模拟结果还是存在一定的差异,原因在于模型中并未考虑返波以及反射的影响,未来通用理论程序中将考虑返波的影响以提高其计算的准确性。
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