电子枪噪声性能时域仿真与分析

摘要

行波管（TWT,Traveling Wave Tube）是一种重要的微波真空功率放大器件，具有宽带宽、高增益、大功率和长寿命等特点，广泛应用于雷达、通讯、导航系统和电子对抗等国防工程和军用电子装备中，被称为武器装备的“心脏”。行波管噪声特性是行波管在卫星通信、雷达通信等高通信质量要求场合的重要考虑因素。随着计算机仿真计算能力的提高，通过仿真来进行行波管结构和功能设计已成为重要的行波管设计手段。目前但仍未见有具备噪声性能仿真能力的商用软件。
　　针对上述问题，本文提出并建立了行波管电子枪噪声特性时域仿真模型、研究了基于仿真的电子枪噪声性能分析方法及其应用，主要内容包括:
　　在课题组已有的非时域电子枪噪声性能仿真软件模块(EGunNoiseSim1.0)的基础上，提出并建立了具有时域仿真能力的电子枪区噪声性能仿真软件模块(EGunNoiseSim2.0)，其由增加了发射电子初始角速度随机性仿真能力的噪声源模块、电子枪建模模块、初始电磁场求解模块、基于时域有限差分法的电磁场更新模块、边界处理模块、粒子轨迹求解模块和空间电流密度场更新模块组成;编写了电子枪噪声参数求解模块，可基于仿真结果对噪声电流、电压的噪声功率谱密度、噪声功率及噪声波阻抗等噪声特性参数进行求解，以方便对电子枪噪声特性的研究。
　　使用EGunNoiseSim2.0对前人文献中给出的电子枪实例进行了电子注轨迹仿真，并与文献中给出的仿真与试验结果及CST仿真结果进行了对比，初步验证了本文编写程序的功能和正确性。
　　此外，使用本文编写的程序初步探究了电子枪工作参数和电子枪结构参数对电子枪噪声性能的影响。仿真分析表明:噪声电流功率/功率谱密度随着温度的增大而增大，噪声电压功率/功率谱密度随温度的变化关系不明显;噪声电压功率/功率谱密度随着聚焦角度的增大而增大，噪声电流功率/功率谱密度随着聚焦极角度的增大先减小后增大;噪声电压功率/功率谱密度和噪声电流功率/功率谱密度都随阴极曲率半径的增大先减小后增大;噪声电流功率/功率谱密度随着阳极孔径半径的增大而增大;噪声电压功率/功率谱密度随着阳极孔径半径的增大而减小。
　　本文工作为行波管电子枪噪声性能分析与设计提供了一种比较有效的仿真分析手段。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 行波管噪声特性研究现状

1．2．1 理论研究

1．2．2 仿真研究

1．2．3 实验研究

1．3 本文主要工作

第二章 电子枪噪声机理与时域有限差分法基础理论

2．1 电子枪噪声机理

2．1．1 散粒噪声

2．1．2 速度噪声

2．2 时域有限差分法基础理论

2．2．1 时域有限差分法的基本方程

2．2．2 时间和空间的离散

2．2．3 数值稳定性

2．2．4 边界条件

2．3 本章小结

第三章 电子枪噪声时域仿真模型

3．1 电子枪多噪声综合仿真模型

3．2 考虑初始角度的速度噪声加载模块

3．3 电子枪区粒子运动时域仿真模型

3．3．1 电子枪建模模块

3．3．2 初始电磁场求解模块

3．3．3 电磁场更新模块

3．3．4 边界处理模块

3．3．5 粒子轨迹求解模块

3．3．6 空间电流密度场更新模块

3．4 噪声参数求解模块

3．5 程序功能和正确性验证

3．5．1 考虑初始角度的速度噪声加载模块验证

3．5．2 电子枪区粒子运动时域仿真模型验证

3．6 本章小结

第四章 电子枪噪声性能分析

4．1 电子枪建模

4．2 电子枪噪声性能参数仿真计算

4．3 电子枪工作参数对电子枪噪声特性影响

4．3．1 温度对速度分布的影响

4．3．2 温度对噪声特性参数的影响

4．4 电子枪结构参数的影响研究

4．4．1 聚焦极角度对电子枪噪声特性的影响

4．4．2 阴极曲率半径对电子枪噪声特性的影响

4．4．3 阳极孔径对电子枪噪声特性的影响

4．4．4 新的阴极结构的电子枪噪声特性

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介