螺旋慢波电路高频特性的三维计算模拟

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1、第14卷　第6期强激光与粒子束Vol.14,No.62002年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.,2002文章编号:100124322(2002)0620892205X螺旋慢波电路高频特性的三维计算模拟雷文强,　杨中海,　廖　莉,　陈清礼(电子科技大学物理电子学院,四川成都610054)　　摘　要:使用MAFIA软件对螺旋慢波线高频特性进行计算模拟,避免解析理论中的假设处理,提高了计算精度,与实验测试值相比色散特性的平均模拟误差为1%左右,耦合阻抗的平均误差为0.2%

2、左右;并对不同建模方法下的不同模拟方法在计算时间和精度上作了比较,证明了准周期边界条件的模拟方法是一种在实际工程应用上同时满足精度与效率要求的模拟方法。　　关键词:MAFIA;　螺旋慢波线高频特性;　计算模拟;　准周期边界条件;　工程应用　　中图分类号:TN124文献标识码:A[1]　　螺旋慢波电路高频特性的理论研究持续了近几十年,常用的物理模型包括螺旋导电面模型和螺带模型。两者在求解时都作了相应的理论假设,前者假设螺旋线为一个半径为真实螺旋线平均半径的螺旋导电圆筒;后[2]者假设螺旋带为无限薄的并在平行方

3、向上流动着假想的面电流。慢波加载结构高频特性的研究国内外学者们也提出了各种假设性的处理方法,夹持杆按照文献[3]提出的分层方法处理为等效介电常数来求解;将翼片[4][5]加载结构假设为数目无限多、厚度无限薄的区域进行求解,后来又提出了翼片修正模型的求解方法。解析理论大多采用这些假设条件进行求解,然而实际的慢波加载结构千变万化,无法得到一个精确的解析解。于是针对慢波高频特性的计算机模拟已成为国内外学者们的研究热点。C.L.Kory先后提出运用Micro2SOS和MA2[6～8]FIA软件对慢波结构进行计算机模

4、拟的方法,利用模拟软件可对螺旋慢波线的带宽、带厚,夹持杆和翼片的形状等进行精确的建模,避免解析模型中的理论假设,提高了计算精度。　　本文总结了MAFIA软件模拟螺旋慢波电路高频特性的不同计算方法,分别使用不同的坐标系模型对不同的模拟方法得到的色散特性在计算精度和时间上加以对比;在中心轴线处加入不同直径的细小的相同介质棒,利用微扰法原理计算出耦合阻抗并加以对比;得到了在工程实用化方面满足设计精度和工作效率要求的计算机模拟方法,指导实际的工程设计计算。1　模拟方法1.1　色散特性[9]　　运用MAFIA模拟螺旋

5、慢波线的色散特性通常采用与实验测试方法相同的谐振法,在慢波线的两个端面分别设置不同的理想电壁P磁壁边界条件。当结构长度为半波长(相移为π)的整数倍时,可模拟得到不同谐振模式对应的谐振频率。根据谐振频率与对应谐振模式下的相移之间的关系就可计算得到色散特性。然而螺旋线结构无法找到一个理想的镜象对称面,在构成谐振模型时往往采用增加螺旋线圈数的方法来减少端面不对[9][10]称造成的误差。多数文献认为螺旋线周期为8圈时计算的谐振频率与对应相位之间的关系基本收敛。表1列出了不同边界条件下螺旋线为l圈时的单圈相移数与对

6、应的n个谐振模式(n为1至l)之间的关系表。表1　不同边界条件下单圈相移数与对应的谐振模式之间的关系表Table1Relationshipofcorrespondingresonancemodenumber,withphaseshiftsperturnindifferentboundaryconditionsboundaryconditionsphaseshiftperturnmodenumber123⋯⋯lelectricPmagneticπ/2l3π/2l5π/2l⋯⋯(2l-1)π/2lelectri

7、cPelectricπ/l2π/l3π/l⋯⋯π　　由表1知,在某一模式下得到的谐振频率与单圈相移是一一对应的,根据这一对应关系就可计算得到慢波电路的色散特性。然而,谐振频率所对应的单圈相移总是固定的,只与模拟过程中所取的慢波线圈数有关,因X收稿日期:2002205217;修订日期:2002207219基金项目:国防科技基础研究基金资助课题作者简介:雷文强(19722),男,博士生,主要从事微波电子学和微波管器件CAD的相关研究;E2mail:leton@163.com。©1995-2005Tsinghua

8、TongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第6期　　　　　　　　　　　　　雷文强等:螺旋慢波电路高频特性的三维计算模拟893此计算得到的色散曲线并不规则,有的点变化比较大,在计算群速时无法得到准确的求解。这种模拟方法是通过增加螺旋线圈数来消除端部效应所带来的误差,然而圈数增加将使网格划分数量增多,模拟计算时间增加,不利于工程化的实际应用。　　现在采用MAFIA软件提