太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真分析与设计

利用Ansoft Maxwell 2D软件建立太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真模型,对模型结构尺寸进行参数化分析,研究永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统轴向磁场分布、均匀区磁通密度(B)、磁场不均匀性(Δ)、磁场0点到均匀区距离(S)、均匀区长度(H)和系统重量(m)等多个指标的影响。在此基础上优化设计出了新的永磁聚焦系统,确定了永磁聚焦系统结构最佳尺寸。对应聚焦系统中心轴线上轴向磁场S=16 mm,H=30 mm,B=0.94 T,Δ=1.7%,m=10 kg。

周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟

使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型,计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性。分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性,并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响。为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。

一种新型周期永磁聚焦系统过渡区的设计

分析了过渡区中电子注调节的基本原理,设计了一种渐变式的过渡区结构,其注腰半径为0.8mm,周期均匀磁场峰值为0.29 T,周期为4.5 mm,压缩比为22。该结构能够在减小电子枪压缩比的情况下对电子注进行再压缩,得到符合互作用要求的电子注。将采用渐变式过渡区结构的电子注匹配与采用传统方法的电子注匹配进行了比较,模拟结果表明:采用渐变式过渡区结构匹配电子注不仅能有效改善电子注的层流性(波动性为8%),还能够提高电子光学系统的稳定性。根据此方法对Ku波段6 kW行波管的电子光学系统进行了模拟计算,得到了良好的设计结果。

带开口磁环的周期永磁聚焦系统的2维模拟

由于目前常用的磁聚焦系统设计方法不能直接计算带有非轴对称开口磁环的磁系统,因此在行波管磁系统实验测试基础上,提出了双面带极靴的开口磁环体积等效概念:将开口磁环等效为相等体积磁性材料的2维轴对称磁环,两者都双面带极靴时轴上的磁场值相等。使用2维电磁计算软件FEMM计算了采用该等效模型后的周期磁聚焦系统的轴上磁场值,计算结果与带有开口磁环的实际系统测试值符合良好,两者相差仅3×10-3T。该2维等效模型能代替开口磁环进行计算。

行波管周期永磁聚焦系统模拟软件的研制

通过对行波管周期永磁聚焦系统(PPM)的理论分析,开发了2维模拟软件UESTC_PPM。该软件主要用于模拟轴对称的永磁结构,在圆柱坐标系下,采用有限差分的方法迭代求解磁钢内外任意位置处的磁感应强度分布。模拟了单磁环结构以及单周期结构,将结果与Ansoft Maxwell 3D的模拟结果进行了对比,结果表明:轴上、轴向以及径向磁感应强度的分布图均很接近,但UESTC_PPM软件耗时较短,验证了UESTC_PPM的正确性,并具有一定的精确度。

行波管周期永磁聚焦系统结构优化设计

利用Ansoft Maxwell 3D软件,对行波管周期永磁聚焦系统进行了结构优化设计,并研究了磁环尺寸对其轴向磁场分布的影响。在永磁材料性能、周期永磁聚焦系统内外径和周期保持不变的情况下,研究了周期永磁聚焦系统的结构尺寸对轴向峰值磁通密度的影响,确定磁环与极靴的最佳尺寸配合,使系统提供尽可能高的聚焦磁场。文章还总结了行波管周期永磁聚焦系统的设计原则和步骤。

电子注在周期永磁聚焦系统中运动状态的计算机模拟

根据周期场聚焦电子注的基本理论,利用行波管仿真软件TWT设计了某行波管的周期永磁聚焦系统,模拟计算了电子注在周期永磁聚焦系统中的运动状态,分别考虑了峰值磁感应强度对静态理想电子注和电子枪发射的电子注的聚焦,过渡区对电子枪发射的电子注聚焦的影响,分析了电子注在周期永磁聚焦系统中的传输特性,确定了聚焦系统的周期磁场与过渡区磁场分布规律,为实现周期永磁聚焦系统的一次装管成功提供了有价值的参考。

行波管周期永磁聚焦系统的设计

论述了行波管周期永磁聚焦系统的基本原理及在此基础上利用现有的辅助设计软件包为行波管设计合适的磁聚焦系统的方法。利用该设计方法计算与模拟一个Ku波段小功率行波管的周期磁场,得到的结果与试验结果非常一致。这样就可以大大减少行波管磁聚焦系统的设计与调整周期。

带开口磁环的周期永磁聚焦系统的轴向磁场

基于磁环的元电流模型,分析了永磁磁环的轴向磁场分布规律。理论计算和测试结果表明:轴向磁化磁环中心轴上的磁感应强度不存在径向分量,只有轴向分量;但磁环开口后,轴向磁场降低,而径向磁场增加,其中心轴上的合成磁感应强度体现出非轴对称性,不利于其在周期永磁(PPM)聚焦系统中的应用。根据磁场的轴向分量和径向分量的分布特点,设计和优化了带开口磁环的PPM系统,实现了轴向磁场的周期化。

周期永磁聚焦系统直流状态下聚焦性能的计算机模拟

本文概略地阐述了作者研制的行波管周期永磁聚焦系统ＣＡＤ软件的原理、计算方法和功能．该软件包含有计算程序和前。后图形处理程序，计算程序的精度满足工程设计要求，是行波管周期永磁聚焦系统的良好辅助设计手段．

缩小倍率型永磁聚焦天文成像探测器系统的研究

本文从当代天文光电成像探测器的发展现状与实际需要出发，着重探讨寻求允许输入像面不是平面、放大倍率不等于１的永磁聚焦磁场系统的设计途径，用约束变尺度法来设计在电磁聚焦成像系统中实现给定的不均匀磁场分布的实际永磁环磁路系统。

S波段反转永磁聚焦宽带大功率多注速调管的研制

随着地面雷达设备性能的提升,对功放器件的要求也大幅度增加,主要是带宽和平均功率的提升。本文介绍新研制的S波段反转永磁聚焦宽带多注速调管,带宽达到13.6%以上,平均功率在20kW以上,为目前国内永磁聚焦速调管最高水平。采用反转永磁聚焦方式的速调管不需要外供电源,体积小,重量轻,便于整机拆装。但由于其反转区的作用,很难做到较高的动态流通,所以平均功率量级不高,因此提升速调管性能的关键是实现良好的电子注动态流通率,即设计出高效的电子光学系统。文章通过对该速调管电子光学系统,高频系统及其热可靠性在内的多个关键部分的研制做了详细分析和介绍,总结了反转永磁聚焦速调管的设计方法,设计过程和结果可以指导其它同类型的S波段速调管设计。

周期永磁聚焦系统永磁环横向场降低方法

行波管周期永磁聚焦系统永磁环的横向场主要是由磁取向偏角引起的。为了减小磁取向偏角从而降低横向磁场,结合永磁聚焦系统的磁路结构及磁场分布,从成型工艺、加工工艺等方面探索了减小磁取向偏角的方法和措施,包括优化成型模具结构从而改善模腔取向场分布和磁环加工工艺。结果表明,这些措施在减小磁取向偏角从而抑制横向场方面具有较好效果,制备出横向场与轴向峰值场之比小于3%的低横向场磁环,较好地满足了应用要求。

速调管周期反转永磁聚焦系统的三维模拟研究

在速调管的设计和应用中,选择一套良好的聚焦系统对整管的性能有着重要意义。本文对大功率速调管中的周期反转永磁聚焦系统中各部件的尺寸进行了优化设置,得到了相对较平稳、反转区小的磁场分布。同时对软件的计算应用作了介绍。

同轴相对论速调管周期永磁聚焦系统的初步研究

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术,开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构,产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式,分析该系统磁场分布的特点,并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件,对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统,并优化了周期磁场参数,确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示,周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值0.33T的条件下可引导500kV、6kA的同轴RKA,得到1GW的微波输出功率,物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。

周期永磁聚焦系统二维二次有限元法研究

该文基于周期永磁聚焦系统的理论分析,采用2维2次有限元方法求解圆柱坐标系下轴对称永磁体结构的磁感应强度分布。首先对线性有限元法和2次有限元法进行收敛性对比,验证了2次有限元法具有更好的收敛性和更快的收敛速度。然后将2维2次有限元模拟仿真结果与Ansoft Maxwell 2D以及UESTC-PPM的模拟结果进行对比,验证了2维2次有限元法具有较高的计算精度,基本能够满足工程需要。

基于有限元的区域分解方法在永磁聚焦系统仿真中的应用

随着计算机技术以及并行求解技术的发展,区域分解方法越来越多地应用于计算电磁学的各个领域。针对微波管中的永磁聚焦系统仿真,该文提出一种基于有限元的非重叠区域分解方法,其引入一种新型传输条件,并采用内罚的方式推导出有限元弱形式。该区域分解法的最大优势是不需要引入多余的未知量,并且最终集成的有限元矩阵满足对称正定性,适合采用预处理共轭梯度法进行矩阵方程的求解。该文仿真了多个微波管永磁聚焦系统,并与商业软件Maxwell进行了详细的对比,结果表明所提出的区域分解方法和Maxwell精度相当,却拥有着更加优越的计算性能。

多注周期永磁聚焦系统横向磁场的研究

从理论上对多注行波管周期永磁聚焦系统横向磁场的性质以及对电子注聚焦的影响进行了讨论,并借助仿真手段分析了一五注耦合腔周期永磁聚焦系统各电子注通道轴内的横向磁场分布规律,讨论耦合槽结构对横向磁场分布的影响,并对横向磁场造成的电子注偏移进行了粒子模拟。

空间行波管对周期永磁聚焦系统的要求

基于周期永磁聚焦系统结构和磁聚焦原理,提出了空间行波管对周期永磁聚焦系统的要求:(1)低横向场;(2)磁场随温度变化小;(3)低衰退率;(4)体积小,重量轻。稀土钴永磁材料能较好地满足这些要求,因而成为行波管周期永磁聚焦系统的首选。

四注行波管周期永磁聚焦系统的优化设计

根据电子注参数、布里渊磁场公式及周期聚焦系统轴向磁通密度峰值经验公式,计算出永磁聚焦系统轴向峰值磁通密度,利用Ansoft Maxwell 3D软件建立了四注行波管周期永磁聚焦系统仿真模型,对模型结构尺寸进行了参数化分析,研究了周期永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统通道内磁通密度的影响,确定了磁聚焦系统结构最佳尺寸配合,优化设计出了四注行波管周期永磁聚焦系统。其电子注通道中心轴线上轴向磁通密度峰值B z=309 mT,横向磁通密度B t=2.86 mT,B t/B z=0.92%。