基于LLRFLibsPy库的脉冲模式下射频超导腔仿真示例

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模拟了腔体（cavity）和机械模式（mechanical modes）的响应行为，包括RF信号源、I/Q调制器、放大器和腔体在内的各个部分

source code: Github

这段代码模拟了腔体（cavity）和机械模式（mechanical modes）的响应行为。包括RF信号源、I/Q调制器、放大器和腔体在内的各个部分。以下是详细的解读：

主要部分和功能

  1. 通用参数设置：

    • Ts：仿真时间步长，1微秒。
    • t_fill 和 t_flat：腔体填充阶段和平顶阶段的时间长度（以样本数为单位）。

  2. RF信号源：

    • fsrc 和 Asrc：RF信号源的频率偏移和振幅。
    • sim_rfsrc 函数：模拟RF信号源的行为，通过相位累积生成复数信号。

  3. I/Q调制器：

    • pulsed：指示是否为脉冲模式。
    • base_pul 和 base_cw：分别是脉冲和连续波模式下的基带信号。
    • sim_iqmod 函数：模拟I/Q调制器，基于输入信号和模式生成输出信号。

  4. 放大器：

    • gain_dB：放大器增益，以dB为单位。
    • sim_amp 函数：根据输入信号和增益生成放大后的信号。

  5. 腔体模型：

    • mech_modes：机械模式参数，包括频率、品质因数和耦合系数。
    • 腔体相关参数（f0、beta、roQ、QL、RL、wh、ib、dw0）。
    • beam_pul 和 beam_cw：分别是脉冲和连续波模式下的束流驱动信号。
    • cav_ss_mech 和 ss_discrete：分别生成机械模式的状态空间矩阵和离散化后的状态空间矩阵。
    • sim_cav 函数：模拟腔体和机械模式的行为，包括电压和失谐的计算。

  6. RF系统仿真器：

    • sim_len 和 pul_len：仿真长度和脉冲长度（以样本数为单位）。
    • 初始化信号数组：sig_src、sig_iqm、sig_amp、sig_vc、sig_vr、sig_dw。
    • 仿真循环：
      • 生成RF信号源。
      • 执行I/Q调制。
      • 放大信号。
      • 添加微音效应。
      • 模拟腔体的行为。
      • 收集仿真结果。

  7. 绘制结果：

    • 绘制信号的实部和虚部。
    • 绘制腔体电压幅值、相位和失谐。

核心函数说明

  1. **sim_rfsrc**：

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    def sim_rfsrc(fsrc, Asrc, pha_src, Ts):
        pha = pha_src + 2.0 * np.pi * fsrc * Ts
        return Asrc*np.exp(1j*pha), pha

    模拟RF信号源，通过相位累积生成复数信号。

  2. **sim_iqmod**：

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    def sim_iqmod(sig_in, pulsed=True, base_pul=None, base_cw=0, buf_id=0):
        if pulsed:
            sig_out = sig_in * base_pul[buf_id if buf_id < len(base_pul) else -1]
        else:
            sig_out = sig_in * base_cw
        return sig_out

    模拟I/Q调制器，基于输入信号和模式生成输出信号。

  3. **sim_amp**：

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    def sim_amp(sig_in, gain_dB):
        return sig_in * 10.0**(gain_dB / 20.0)

    根据输入信号和增益生成放大后的信号。

  4. **sim_cav**：

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    def sim_cav(half_bw, RL, dw_step0, detuning0, vf_step, state_vc, Ts, beta=1e4,
                state_m0=0, Am=None, Bm=None, Cm=None, Dm=None,
                pulsed=True, beam_pul=None, beam_cw=0, buf_id=0):
        if pulsed:
            vb = -RL * beam_pul[buf_id if buf_id < len(beam_pul) else -1]
        else:
            vb = beam_cw
        status, vc, vr, dw, state_m = sim_scav_step(half_bw,
                                                    dw_step0,
                                                    detuning0, 
                                                    vf_step, 
                                                    vb, 
                                                    state_vc, 
                                                    Ts, 
                                                    beta=beta,
                                                    state_m0=state_m0, 
                                                    Am=Am, 
                                                    Bm=Bm, 
                                                    Cm=Cm, 
                                                    Dm=Dm,
                                                    mech_exe=True)           
        state_vc = vc
        return vc, vr, dw, state_vc, state_m

    模拟腔体和机械模式的行为，包括电压和失谐的计算。

代码解读

通用参数

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Ts = 1e-6  # 仿真时间步长，1微秒
t_fill = 510  # 腔体填充阶段时间长度，样本数
t_flat = 1300  # 平顶阶段时间长度，样本数

RF信号源

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3
fsrc = -460  # 频率偏移
Asrc = 1  # 振幅
pha_src = 0  # 初始相位

sim_rfsrc函数生成复数信号：

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2
3
def sim_rfsrc(fsrc, Asrc, pha_src, Ts):
    pha = pha_src + 2.0 * np.pi * fsrc * Ts
    return Asrc*np.exp(1j*pha), pha

I/Q调制器

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pulsed = False  # 脉冲模式
buf_size = 2048 * 8  # 缓冲区大小
base_pul = np.zeros(buf_size, dtype=complex)  # 脉冲模式基带信号
base_cw = 1  # 连续波基带信号
base_pul[:t_flat] = 1.0  # 设置脉冲模式下的基带信号
buf_id = 0  # 缓冲区索引

sim_iqmod函数模拟I/Q调制器：

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def sim_iqmod(sig_in, pulsed=True, base_pul=None, base_cw=0, buf_id=0):
    if pulsed:
        sig_out = sig_in * base_pul[buf_id if buf_id < len(base_pul) else -1]
    else:
        sig_out = sig_in * base_cw
    return sig_out

放大器

1
gain_dB = 20 * np.log10(12e6)  # 放大器增益

sim_amp函数根据输入信号和增益生成放大后的信号：

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def sim_amp(sig_in, gain_dB):
    return sig_in * 10.0**(gain_dB / 20.0)

腔体模型

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mech_modes = {'f': [280, 341, 460, 487, 618],
              'Q': [40, 20, 50, 80, 100],
              'K': [2, 0.8, 2, 0.6, 0.2]}

f0 = 1.3e9  # RF工作频率
beta = 1e4  # 输入耦合系数
roQ = 1036  # 腔体r/Q
QL = 3e6  # 加载品质因数
RL = 0.5 * roQ * QL  # 加载电阻
wh = np.pi * f0 / QL  # 半带宽
ib = 0.008  # 平均束流电流
dw0 = 2 * np.pi * 0  # 初始失谐
beam_pul = np.zeros(buf_size, dtype=complex)  # 脉冲束流驱动信号
beam_cw = 0  # 连续波束流驱动信号
beam_pul[t_fill:t_flat] = ib  # 设置脉冲模式下的束流驱动信号

生成机械模式状态空间矩阵和离散化矩阵：

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status, Am, Bm, Cm, Dm = cav_ss_mech(mech_modes)
status, Ad, Bd, Cd, Dd, _ = ss_discrete

example-sim-cavity-mech2-1.png

example-sim-cavity-mech2-2.png

这段代码通过逐步模拟RF信号源、I/Q调制器、放大器和腔体的行为，来研究腔体在不同机械模式下的响应情况。最终，代码绘制了模拟过程中获得的信号和参数，以便分析腔体的电压幅值、相位和失谐等特性。