一种关联1/4周期实际轴向磁场的周期永磁聚焦系统设计方法与流程

[0001]
本发明涉及到真空电子技术领域，具体涉及一种关联1/4周期实际轴向磁场的周期永磁聚焦系统设计方法。


背景技术：

[0002]
行波管是真空电子器件家族里的一大分支，在卫星通信，电子战，情报传输等方面有着巨大的优势。为了得到高质量的行波管，需要对电子注质量严格把控。这不仅依赖于发射电子的电子枪，还需要聚焦系统对电子注进行聚焦和维持。其中，周期永磁聚焦(ppm)系统因为其体积小、质量轻、杂散磁场小等优势已成为行波管中广泛使用的聚焦系统。
[0003]
对以周期永磁聚焦系统为聚焦系统的行波管而言，在设计电子枪时需要多次调整磁场。如果每次调整磁场后都计算实际ppm三维磁场分布，将会消耗大量时间在周期永磁聚焦系统磁场分布的计算上。所以大部分仿真软件在设计电子枪时，为了节约时间都会使用理想的轴上磁场分布来代替实际ppm三维磁场分布，在此基础上对电子枪的磁场进行优化,直到得到符合要求的电子注。根据电子注所需要的理想轴上磁场分布，反向设计出满足要求的ppm系统，并计算ppm三维磁场分布；然后回代电子枪中，计算电子枪在实际ppm三维磁场聚焦下的电子注特性。电子注不符合要求，则需要改变理想磁场，然后如此重复上面两步设计ppm系统并计算出实际ppm三维磁场，将其计算结果回代进电子枪中计算电子注并判断是否符合要求，直到电子注符合要求则设计出一套行波管的电子枪和磁系统。以上为设计行波管电子枪和磁系统的流程，具体可参阅图2。
[0004]
在上述方案的设计过程中，其理想轴上磁场分布通常由一系列不同幅度的半周期正弦函数构成，参阅图1，对比理想轴与实际ppm的三维磁场分布，可以清楚发现，在起始1/4轴上两者差异很大。因此当添加实际ppm三维磁场分布与添加理想轴上磁场分布后分别计算电子枪，所得到的电子注特性可能会出现相差很大的问题，具体参阅图4、5。当出现这种问题后，就无法利用理想轴上磁场分布来设计电子枪，此时通常的解决方法是重新设计电子枪，但如果重新设计电子枪，那么用理想轴上磁场分布代替ppm三维磁场分布就失去原本方便设计的作用。


技术实现要素：

[0005]
基于上述现有技术中，添加的理想轴上磁场分布后的电子枪计算出的电子注(如图4)，与添加实际ppm磁场计算的电子注(如图5)相差很大，导致仿真行波管时需要重新设计电子枪的问题，本发明提出了一种关联1/4周期实际轴向磁场的周期永磁聚焦系统设计方法，该方法通过拟合起始1/4轴上磁场曲线与理想轴上磁场拼接的方式以克服上述问题，不需重新设计电子枪，节约了时间成本。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006]
一种关联1/4周期实际轴向磁场的周期永磁聚焦系统设计方法,包括以下步骤：
[0007]
s1、从实际磁系统中取出分布在z轴上的磁场点
[0008]
s2、由点集合得到bz＝f(z)分段线性函数曲线，根据该分段线性函数曲线确定出起始1/4轴上磁场分布，通过起始1/4轴上磁场分布计算出起始1/4轴的起始位置、磁场峰值、磁场长度及起始1/4轴上包含的磁场点；
[0009]
s3、根据步骤2所得参数找到数学模型来拟合曲线，计算出每个磁场点对应的方程系数c，得到集合{c}；模型中z为z轴自变量，b
max
为磁场峰值，c为方程系数，l为磁场长度；其中l与b
max
从步骤s2中已计算出。
[0010]
s4、通过集合{c}找出关于c的最小误差的c
min
，将其设为c1代入方程，得到拟合曲线方程
[0011]
s5、目标磁系统与实际磁系统起始1/4轴c1和l相同，利用拟合曲线方程和l相同，利用拟合曲线方程通过设置目标磁系统起始1/4轴上的起始位置和磁场峰值，计算出拟合起始1/4轴上磁场点分布并导出txt。
[0012]
s6、将步骤s5得到的txt文件添加到磁系统仿真软件中，并与理想轴上起始1/4轴后面的磁场拼接后，计算电子枪磁场特性得到电子注包络。
[0013]
s7、将步骤s6得到的电子注包络的与目标参数比对，若与目标参数相符则进入步骤s7；若不相符，更改起始1/4轴上原周期磁场的起始位置、磁场峰值、起始1/4轴后面的磁场长度和磁场峰值，并重复步骤s5-s6直到相符。
[0014]
s8、根据步骤s6计算得到的电子注包络设计出磁系统，计算此时ppm三维磁场实际分布,然后将其回代到电子枪中计算电子注，将电子注包络参数与目标参数进行比较，判断是否符合要求，若符合则完成行波管的电子枪和磁系统的设计，若不符合则转转入步骤s6，直到完成行波管的电子枪和磁系统设计。
[0015]
本发明所提供的一种关联1/4周期实际轴向磁场的周期永磁聚焦系统设计方法，是利用实际磁系统上起始1/4轴上的起始位置、磁场峰值、磁场长度以及起始1/4轴上所有磁场点，得到拟合起始1/4磁场分布曲线然后根据拟合的1/4磁场分布曲线得到拟合起始1/4轴上的磁场点分布，并将其与理想轴上起始1/4轴后面的磁场拼接后，计算电子枪磁场特性得到电子注包络。
[0016]
与现有技术先比，本发明提供的电子枪设计优化方案，无需再重新设计电子枪，简化了设计程序，节约时间成本。
附图说明
[0017]
图1为理想轴和实际ppm三维轴在起始1/4轴部分的磁场对比；
[0018]
图2为现有技术设计行波管电子枪和磁系统的流程图；
[0019]
图3为本发明实施例的流程图；
[0020]
图4为本发明实施例电子枪1添加理想轴上磁场后计算的电子注仿真注型包络；
[0021]
图5为本发明实施例电子枪1添加实际ppm三维轴上磁场后计算的电子注仿真注型包络；
[0022]
图6为本发明实施例行波管实际ppm三维轴上磁场的分段线性函数曲线示例；
[0023]
图7为本发明实施例电子枪1添加拟合曲线后计算的电子注仿真注型包络。
[0024]
图8为本发明实施例设计出的行波管电子枪和磁系统后，电子枪回代实际ppm三维磁场分布得到的电子注仿真注型包络。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
[0026]
本发明提供的一种关联1/4周期实际轴向磁场的周期永磁聚焦系统设计方法，如图3所示，包括以下步骤：
[0027]
s1、在不改变电子枪结构及初始实际ppm三维磁场分布的前提下，从实际ppm三维磁场中取出所需要的z轴上的磁场分布{(z
i
,b
i
)}，其中z
i
表示点集合)的z轴自变量，表示对应z
i
点的z轴磁感应强度分量。
[0028]
s2、由点集合得到bz＝f(z)分段线性函数曲线，根据该分段线性函数曲线确定出起始1/4轴上磁场分布，并通过起始1/4轴上磁场分布计算出起始1/4轴的起始位置、磁场峰值、磁场长度及起始1/4轴上所包含的磁场点。
[0029]
如图6所示，分段函数曲线中，从起点到第一个零点z0，即f(z0)＝0之间是漏磁，从第一个零点到第一个峰值点之间则为起始1/4轴。第一个零点即为起始1/4轴的起始位置；第一个峰值点即为起始1/4轴的磁场峰值。
[0030]
(1)其中起始1/4轴的起始位置计算过程为：
[0031]
首先通过程序找出第一个满足f(z
i
)*f(z
i+1
)<10-5
的相邻两点(z
i
,f(z
i
))、(z
i+1
,f(z
i+1
))，根据这两个相邻点可以确定并出起始1/4轴的起始位置的取值范围在这两点之间。由于这两个相邻点之间的间隔δz很小，可以将这两个相邻点内的函数g(z)近似为线性，然后计算出过这两个相邻点的直线函数方程bz＝g(z)。最后由函数方程g(z0)＝0求出起始1/4轴的起始位置(z0,0)。
[0032]
(2)起始1/4轴的磁场峰值计算过程为：
[0033]
通过程序找到起始1/4轴的起始位置后第一个满足|f(z
j
)|>|f(z
j+1
)|的相邻两点(z
j
,f(z
j
))、(z
j+1
,f(z
j+1
))，此时(z
i
,f(z
i
))是磁峰值点，该f(z
i
)即为起始1/4轴的磁场峰值b
max
。
[0034]
当起始1/4轴的起始位置后、和磁场峰值确定后，就可以计算出起始1/4轴的磁场长度l＝z
i-z0，确定出1/4轴上所包含的n个磁场点,(n为＞1的整数)。
[0035]
(3)已知起始1/4轴的起始位置、磁场峰值，为方便计算，将起始1/4轴上起始位置至磁场峰值区间内的n个点向z轴负方向位移z0，得到取值范围是[0,l]的起始1/4轴上磁场分布。
[0036]
s3、根据步骤s2中所得参数找到的数学模型来拟合曲线，计算出每个磁场点对应的方程系数c，得到集合{c}；模型中z为z轴自变量，b
max
为磁场峰值，c为方程系数，l为磁场长度，其中l、b
max
在步骤s2中已求出。
[0037]
s4、通过集合{c}、数学模型起始1/4轴上包含的n个点计算
出最小误差的c
min
，将其设为c1代入方程，得到拟合曲线方程为节约计算时间，本实施例中最小误差的c
min
采用的计算过程如下：
[0038]
将每个磁场点关于集合{c}中所有的方程系数c
i
依次回代数学模型中，计算出n个磁场点关于方程系数c
i
的和方差sse
i
，然后再从所有的和方差sse
i
中，比较得出最小和方差sse
min
，当最小和方差sse
min
满足条件时(err指允许的最大误差)，确定对应最小误差c
min
，本实施例中允许的最大误差err值为20。计算最小误差的c
min
过程还可以采用其他方法，比如二分法。
[0039]
s5、拟合轴上磁场分布曲线与实际轴上磁场分布曲线的起始1/4轴c1和l相同，添加拟合磁场分布曲线的磁场峰值b1到步骤s4的拟合曲线方程中，得到曲线方程加拟合磁场分布曲线的磁场峰值b1到步骤s4的拟合曲线方程中，得到曲线方程
[0040]
由预设的起始1/4轴上的起始位置、磁场长度以及相连两点之间的间隔δz，得到目标磁系统z轴上的自变量集合{z}，再将目标磁系统z轴上的自变量集合{z}中每个值代入曲线方程计算出对应的磁场。得到拟合出的起始1/4轴上磁场点分布，并将磁场点分布以mtss软件规定格式导出txt文件。
[0041]
s6、将步骤s5得到的txt文本添加到mtss的行波管工程中，并与理想轴上起始1/4轴之后的磁场拼接后，计算电子枪磁场特性得到电子注包络。从图6可知，在起始1/4轴后，理想轴上磁场与实际ppm三维轴上磁场相差不大，因此剩余的磁场分布仍然采用理想轴上磁场代替。
[0042]
图5为电子枪1添加实际ppm三维轴上磁场后计算的电子注仿真注型包络，图7为电子枪1添加拟合曲线后计算的电子注仿真注型包络。对比图5和图7，可以看出应用本发明后计算的电子注与添加实际ppm三维轴上磁场后计算的电子注相似。
[0043]
图8为本实施例设计出的行波管电子枪和磁系统后，电子枪回代实际ppm三维磁场分布得到的电子注仿真注型包络，其电子注参数符合目标参数，可见本发明切实有效。
[0044]
综上所述，本发明所提供的一种关联1/4周期实际轴向磁场的周期永磁聚焦系统设计方法，通过实际ppm三维磁场起始1/4轴，根据所需要的参数，拟合出符合实际ppm磁场与满足参数要求的起始1/4轴磁场分布，其后拼接的理想轴上磁场分布。这种方式简化了设计程序，从而节约时间成本不必重新设计电子枪。