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行波管电子光学系统一体化设计

秦钰昆  
【摘要】: 行波管是一种高增益的宽带微波/毫米波功率放大器件,在现代军事电子装备中显示出不可取代的重要作用。在行波管中,电子光学系统由电子枪、聚焦系统和降压收集极三部分组成,内容涉及电子注的产生、成形、维持和收集,是行波管的重要组成部分。电子光学系统提供的电子注质量和相关参量从根本上决定了诸如效率、增益、工作稳定性和噪声特性这样一些行波管的重要参量,因此电子光学系统的设计是行波管设计中的重要一环[1-5]。 理论与计算机模拟实验室对行波管电子光学系统进行了全面和深入的研究,在此基础上开发了《宽带大功率行波管软件包TWTCAD》[7-9]。在软件包中电子光学系统有三个模块:电子枪模块UESTC_Gun[10]、周期永磁聚焦系统UESTC_PPM[11]和多级降压收集极UESTC_MDC[12]。本论文探讨了电子光学系统的实现原理,采用已有的《宽带大功率行波管软件包TWTCAD》[7-9]中的“电子枪UESTC_Gun[10]”、“周期永磁聚焦系统UESTC_PPM[11]”和“多级降压收集极UESTC_MDC[12]”的内核而开发出电子光学CAD系统,这里面自己开发的C++代码超过12,000行,修改的代码超过30,000行。 论文开始简略介绍了电子光学系统的发展过程,已及目前国内外电子光学系统CAD的现状。论文的第二部分,阐述了电子光学系统的数值计算方法,主要有静电场的计算方法、静磁场的数值计算方法、轨迹的计算方法以及空间电荷分配的方法。 开发出的电子光学系统集成环境中修改了判断是否在电极内的函数,采用逻辑坐标进行判断,解决库函数判断中可能存在的判断错误。在已有的理论基础和一体化计算[13]的思想下,建立了一体化电子光学模拟计算模型,能够模拟计算电子从电子枪发射、经过永磁聚焦系统聚焦到多级降压收集极回收的全过程。同时可以计算出周期永磁聚焦系统泄漏到电子枪内和多级降压收集极中的磁场,完善了电子枪模块和多级降压收集极模块里面空间磁场的计算方法。电子光学集成环境也能分别实现电子枪、周期永磁聚焦系统和多级降压收集极的模拟计算。该软件继承了原有模块:UESTC_Gun、UESTC_PPM和UESTC_MDC的界面友好、用户操作简单、计算数度快、计算过程和结果可视化等优点,同时增加了数据保存和标准化了软件框架。


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