有限差分法计算耦合腔慢波结构高频特性.pdfVIP

有限差分法计算耦合腔慢波结构高频特性 李文君1,2许州2，林郁正1，黎明2，杨兴繁～，周霖2，金晓2 (1．清华大学工程物理系，北京100084； 2．中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳621900) 摘要：运刚有限差分软件对耦合腔慢波结构进行了二维数值模拟，计算了本征模喈振频率、 场分布及结构的色散特性等参数，模拟结果与实验结果相吻合，其中，腔通带色散的计算误筹为 0．26％，槽通带色散的计算误著为0．29％。证实了有限差分法应瑚丁．耦合腔结构高频特性模拟的 有效性、可靠性。 关键词：耦合腔慢波结构，高频特性，有限筹分法，二维模拟 1 引言 耦合腔慢波结构在微波电子管及加速器领域有广泛的应用。由于耦合腔结构几何 形状复杂，对其高频特性进行解析求解【l’2J时均作了某些假设和近似处理，难以得到 精确的解析解。近年来，随着计算机技术的飞速发展，利用数值模拟软件对耦合腔结 构进行精确的三维建模和计算成为研究热点p‘7j。这些软件使用的算法多为有限积分 法、有限元法等1引。本文运用有限差分软件对耦合腔结构进行了三维数值模拟，计算 了本征模谐振频率、场分布及色散特性等参数，模拟结果和实验数据吻合良好。 2耦合腔慢波结构高频特性三维模拟 2．1计算模型与方法 以美国体斯公司公丌发表的961HA型耦合腔行波管ljl为例进行了计算，该管的 慢波结构为体斯型耦合腔结构，其结构尺寸参数见参考文献【3】。图l为计算高频特 性的模型，该模型在慢波结构两端设置短路板形成谐振腔链：模型采用柱坐标网格， 由图l可见用柱坐标网格构建的三维模型结构光滑，如果采用笛卡儿网格则会出现台 阶状的结构边界。 (a)z-r截面图 (b)卜由截面图 图l耦合腔慢波结构高频特性计算模溅 采用激励法计算色散特性，在漂移管间隙处给腔链以一激励电流，可设置该电流 201 为理想方波电流，则该电流的频谱为零到无穷：经过一段时间后，由于谐振腔链的选 频作用，非谐振模式将迅速衰减，这时激励处电压波形的频谱将为分立的一系列谐振 峰，这些峰对应的模式即为腔链的谐振模式。其中，谐振模式的频率为谐振峰的频率： 对于腔通带和槽通带，谐振模式的单腔相移可根据如下方法得到：当腔数为N时， 腔通带共N个谐振模式，这些模式在Ⅱ-2Ⅱ区间的单腔相移为iⅡ／N，对于基波为前 槽通带比腔通带少一个i．2N的模式，因为在两端短路的边界条件下2n模式并不存 在。 2．2场分布计算 在图l的计算模型中，取腔数N=2，此时腔通带有0、Ⅱ／2两个模式(在Ⅱ一2Ⅱ 区间则为2Ⅱ、3Ⅱ／2模式)，槽通带只有Ⅱ／2一个模式(Ⅱ-2Ⅱ区间为3T【／2模式)； 在文献【4】中的计算结果。由表l知，961HA型行波管的基波为返波：图2表明本文 的计算结果与文献【4]的结果基本一致。 表l 两腔耦合腔链本征模的喈振频率 模式 腔T【／2模 腔0模 槽Ⅱ／2模 频率／GHz 61．54 74．99 102．88 腔Ⅱ／2模 腔0模 槽Ⅱ／2模 (a) 彩■乞‘—乡 乡7／J 密 l，厂 H 一 杉 甏 』一r，J y．发 目W匡吨飞 ，rJ ， _■幺 礁卅ZF； 一。杉^～ 零谚洋 趴 L一 以