一種行波管三階互調(diào)快速計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于行波管非線性失真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種行波管三階互調(diào)快速計算 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 行波管是寬頻帶大功率的真空電子器件，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域?？?間行波管作為衛(wèi)星通信的末級放大器，承擔(dān)著信號放大傳輸?shù)闹匾饔?。而空間行波管的 三階互調(diào)分量是影響通信性能的重要指標(biāo)；由于非線性影響，在通信過程中多路信號的并 發(fā)，會產(chǎn)生三階互調(diào)分量從而導(dǎo)致多路信號間相互干擾，影響著衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確 性；為了降低互調(diào)干擾，傳統(tǒng)方法采取工作點功率回退方式降低三階互調(diào)影響，一方面降低 信號功率影響通信距離另一方面也降低了行波管的工作效率，對能源極度緊張的通信衛(wèi)星 造成損失。因此三階互調(diào)需要在行波管設(shè)計時進(jìn)行準(zhǔn)確計算和抑制分析。
[0003] 行波管工作的核心是電子注與電磁波相互作用過程：在真空的管殼內(nèi)部，一束從 陰極發(fā)生的電子注從左端出發(fā)，以一定的速度與攜帶頻率信號的電磁波同向傳輸，在這過 程中電子被電磁波調(diào)制，也激勵電磁波能量放大，最終電磁波信號被放大，剩余電子注被右 端的收集極減速收集；整個過程叫做注波互作用過程。目前行波管的注波互作用仿真計算 通常采用拉格朗日頻域非線性注波互作用模型，該模型需要采取有限多個宏電子表征周期 時間內(nèi)不同時間相位的電子狀態(tài)；利用該模型能快速準(zhǔn)確地對注波互作用進(jìn)行仿真計算。
[0004] 通常單頻率信號的一次注波互作用過程仿真計算時間在數(shù)十秒以內(nèi)，通常采用32 個時間相位的宏電子即可收斂。然而該模型面對兩個頻率非常接近的輸入信號及產(chǎn)生的三 階互調(diào)仿真時，需要產(chǎn)生極多的宏電子才能計算準(zhǔn)確，而且頻率越接近宏電子數(shù)越多。兩個 頻率之差叫分辨頻率，粒子倍率等于工作頻率除以分辨頻率，通常計算三階互調(diào)的宏電子 需要單頻率宏電子乘以該粒子倍率，結(jié)果才能準(zhǔn)確收斂。以L波段行波管為例，工作頻率為 1. 5GHz，分辨頻率5MHz，那么單頻率計算需宏電子32個，采用一維模型計算一次需1秒鐘， 三維模型計算一次需15秒鐘；而三階互調(diào)計算需宏電子9600個，采用一維模型計算一次需 15~20分鐘，三維模型因需要太多計算資源而導(dǎo)致軟件崩潰；然而設(shè)計過程中還需掃描不 同輸入功率下的三階互調(diào)狀態(tài)，那么掃描21次則一維模型需5~7個小時。因此三階互調(diào) 低效計算制約了行波管非線性設(shè)計與抑制，且無法用三維模型計算也影響了三階互調(diào)計算 的精確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有行波管三階互調(diào)計算效率低的缺點提供一種行波管 三階互調(diào)快速計算方法，該方法利用行波管計算頻率范圍內(nèi)增益及相移不變的特點，僅需 單頻率下功率掃描一次，然后利用公式快速求解不同輸入功率下的三階互調(diào)，一維模型僅 需數(shù)十秒，三維模型僅需數(shù)分鐘。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種行波管三階互調(diào)快速計算方法， 包括以下步驟：
[0007] 步驟一：以兩輸入頻率f\，f2的中心頻率f。作為輸入信號頻率，以飽和輸入功率回 退20dB為起點，以飽和輸入功率為終點進(jìn)行輸入功率P掃描，獲取掃描的增益曲線G(P)和 相移曲線Φ(P)，從而獲得復(fù)增益曲線為：
[0008]
[0009] 步驟…Μ吻鳥的兩輸入頻率信號f\，f2的注波互作用視為單頻信號f〇 被差頻信號（&-&)幅度調(diào)制的過程；得到各分量輸出功率為：
[0010]
[0011] 式中，η就是表示階數(shù)，當(dāng)η為±1時表示基波輸出功率，當(dāng)η為±2時表示三階 互調(diào)輸出功率；
[0012] &=|4|_表示最大輸入功率；
[0013]
，通過差頻相位對應(yīng)功率表達(dá)式：g⑷=&1 + C，⑷. 將差頻相位Φ在[0, 2π]范圍離散N等分后代換得到；差頻相位Φ離散后為：
[0014] 基于上述即計算得到兩輸入頻率f\，f2(基波）的輸出功率以及三階互調(diào)輸出功 率；
[0015] 步驟三：掃描場幅值4，:重復(fù)步驟二的過程，即獲得各輸入功率下的基波輸出功率 及三階互調(diào)輸出功率。
[0016] 本發(fā)明提出的行波管三階互調(diào)快速計算方法有效的解決傳統(tǒng)三階互調(diào)計算效率 低的問題，僅需單頻率下功率掃描一次，然后利用公式快速求解各輸入功率下的三階互調(diào) 功率，一維模型僅需數(shù)十秒，三維模型僅需數(shù)分鐘；大大提高了三階互調(diào)優(yōu)化計算效率。
【附圖說明】
[0017] 圖1行波管輸入功率掃描曲線，其中，1為增益曲線，2為相移曲線。
[0018] 圖2實施例中以飽和輸入功率回退6dB的輸入信號和三階互調(diào)功率比較柱狀圖。
[0019] 圖3實施例中各輸入功率下的輸入信號與三階互調(diào)功率掃描比較曲線；其中，3為 本發(fā)明計算信號頻率A的輸出功率曲線，4為數(shù)值模擬計算信號頻率fi的輸出功率曲線，5 為本發(fā)明計算三階互調(diào)輸出功率曲線，6為數(shù)值模擬計算三階互調(diào)輸出功率曲線。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合模型公式和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021] 本實施例中一種行波管三階互調(diào)快速計算方法，包括以下步驟：
[0022] 步驟一：以兩輸入頻率（f\，f2)的中心頻率f。作為輸入信號頻率，以飽和輸入功率 回退20dB的小信號功率為起點，以飽和輸入功率為終點進(jìn)行輸入功率P掃描，獲取掃描的 增益曲線G(P)和相移曲線Φ(P)，從而獲得各輸入功率下復(fù)增益曲線為：
[0023]
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[0024]本實施例中，假設(shè)f\= 1. 5GHz，f2=1. 5005GHz，則f。=1. 50025GHz;且飽和輸 入功率為0. 3mW(-5. 2dBm)，回退20dB后小信號功率為0. 003mW(-25. 2dBm)，得到增益曲線 G(P)(如圖1中曲線1所示）和相移曲線Φ(P)(如圖1中曲線2所示）；
[0025] 步驟二：相同場幅值義,的兩輸入頻率信號f\，f2的注波互作用，可視為單頻信號f。 被差頻信號（f2-fi)