Оптимизация конфигурации пространства взаимодействия лампы бегущей волны
Отрасль: Электроника | Продукт: DT Seven | Компания: АО «НПП «Алмаз»
цель
Определить такой комплекс величин электродинамических параметров, который обеспечил бы оптимальность процесса взаимодействия электронного потока с ВЧ-полем с точки зрения максимального значения целевой функции. В данной работе целевой функцией выбрана выходная мощность, а варьируемыми параметрами – значения шагов спирали, т.е. периода замедляющей системы.
Получение оптимальной конфигурации пространства взаимодействия (ПВ) лампы бегущей волны (ЛБВ) для обеспечения наилучших условий взаимодействия электронного потока с полем бегущей замедленной электромагнитной волны.
Задача
Сложности
Выполнение всех этапов требует ручного вмешательства, что делает процесс зависимым от действий проектировщика. Подобная схема работы оказывается недостаточно эффективной при необходимости проведения многопараметрических расчетов (построение амплитудных, амплитудно-частотных характеристик, последовательная оптимизация и корректировка ПВ, выполнение расчёта производных величин и т.д.). Постоянное ручное выполнение всех этапов цикла приводит к:
- значительным временным затратам, особенно при большом количестве расчетных вариантов;
- увеличению нагрузки на проектировщика из-за монотонного характера задач;
- риску возникновения ошибок из-за человеческого фактора, что снижает точность и повторяемость результатов.
На рисунке 1 представлена многоуровневая расчетная схема взаимодействия DT Seven с программой расчета выходных характеристик ЛБВ, основанной на одномерной нелинейной модели взаимодействия электронного потока с полем бегущей замедленной электромагнитной волны.
Рисунок 1 – Многоуровневая расчетная схема
Рисунок 2 – Закон изменения шага спиральной замедляющей системы, где 1 – вариант до начала оптимизации, 2 – вариант после проведения оптимизации
Рисунок 3 – Гистограммы распределений выходной мощности (а) и коэффицента усиления (б) в режиме насыщения выходной мощности, где 1 – вариант до оптимизации, 2 – вариант после оптимизации
Первым этапом в оптимизации служила конфигурация пространства взаимодействия со средней выходной мощностью ≈ 140 Вт и коэффициентом усиления ≈ 53.1 дБ. На рисунке 2 представлено сопоставление закона изменения шага спиральной замедляющей системы в составе ВЧ-пакета рассматриваемой ЛБВ, где 1 – вариант до начала оптимизации, 2 – вариант после оптимизации.
Оптимальная конфигурация закона изменения шага позволила получить среднюю выходную мощность на уровне ≈ 156 Вт и коэффициент усиления ≈ 55.7 дБ. Сопоставление расчетных вариантов приведено на рисунке 3.
Решение
1
2
Выводы
Оптимизация закона изменения шага спирали позволила определить оптимальный диаметр экрана (оболочки ВЧ-пакета), а также увеличить выходную мощность на 16 Вт (11.8 % относительных) в среднем по диапазону, а коэффициент усиления на 2.6 дБ (4.9 % относительных), а также значительно выровнять АЧХ и уменьшить величину перепада выходной мощности и коэффициента усиления в рабочей полосе частот
Использование алгоритмов оптимизации позволило существенно сократить время проектирования