改进2.5维多频大信号互作用程序模拟螺旋线行波管非线性交调互调特性

　　改进稳态行波管场论大信号互作用模型,将工作频率考虑为最小公因子基波的整数倍,采用频域等效粒子模拟算法,求解离散化亥姆霍兹方程获得空间电荷场数值解,建立半解析半粒子的2.5维行波管多频互作用模型,模拟多频工作时行波管中信号间的交调和互调的非线性特性,计算结果与L波段螺旋线行波管的互调、三阶和五阶交调试验比较具有较好的一致性。

　　行波管由于其宽频带、高效率、高功率及高增益等优点广泛应用于雷达、通信及电子对抗等领域。雷达和电子对抗用行波管主要考虑单频工作时的带宽、功率、效率和增益等参数。对于空间通信用行波管, 由于卫星资源的稀缺性, 通常采用频分复用方式, 将频带划分为若干信道, 实现多载波工作, 要求行波管具有高效率、较小的交调互调比和幅相转换系数。与单频输入的互作用不同, 多信号工作行波管信号之间相互影响, 在输出端深度群聚的电子束激励出的空间电荷波含有非输入分量[ 1- 2] , 包括谐波分量和交调互调分量。通常谐波分量落在工作频带外, 设计中主要涉及交调和互调的非线性行为, 过大的交调互调影响了相邻信道的信号, 载噪比下降,降低了传输质量[ 3- 4] 。

　　综合计算时间和精度, 在单频模型的基础上发展了一种改进的2. 5 维多频大信号模型[ 5- 7] 。线路场写为输入信号和交调互调分量的叠加; 粒子沿纵向和径向划分为二维􀀂 无限细 圆环, 外加周期永磁聚焦磁场下, 具有小摇摆大回旋的三维运动; 引入离子体粒子模拟( PIC) 方法, 采用一种􀀂 等效的 的一维网格求解离散化的亥姆霍兹方程得到精确的空间电荷场。在非相对论条件下忽略交流磁场及返波对多频工作的影响, 模拟螺旋线行波管中交调和互调等非线性行为, 跟踪万量级的粒子数, 单机运行时间30~ 300 min。

5 、结论

　　基于螺旋线行波管2􀀁5 维场论大信号互作用模型, 将输出频率考虑为最小公因子基波的整数倍, 采用频域等效一维PIC 算法获得多信号空间电荷场的数值解, 开发出适用于个人计算机运行的多频模拟程序, 计算结果与L 波段行波管试验比较具有较好的一致性, 为通信类行波管交调和互调等副特性指标的合理设计提供一个有效的理论模型和优化设计软件。