波段螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管色散特性

螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管與采用圓波導(dǎo)的回旋行波管相比,有較大的帶寬。介紹了它的線性注波互作用理論,并用該理論計(jì)算了不同的磁場與波導(dǎo)表面微擾幅度對ka波段螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管線性增益的影響。計(jì)算結(jié)果與已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合,說明該理論可以初步確定螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管的各項(xiàng)參數(shù)。

螺旋波紋波導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)使te11和te21相互耦合,其色散特性相對于圓波導(dǎo)發(fā)生了極大的改變,使電磁波能夠在寬頻帶內(nèi)與電子注耦合,因此需要對其色散特性進(jìn)行研究。通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,得到了螺旋波紋波導(dǎo)的行波模式、返波模式的色散方程和色散曲線,著重分析了不同螺紋深度和螺紋周期對螺旋波紋波導(dǎo)行波模式色散特性和模式耦合的影響。研究表明,當(dāng)螺紋深度變大時(shí),螺旋波紋波導(dǎo)中的工作模式與非工作模式分離程度變大,對克服模式競爭比較有利;當(dāng)螺紋周期變小時(shí),工作模式1的線性變差,線性區(qū)域變得很窄,限制了螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管增益的提高。

三折螺旋波紋波導(dǎo)使te11模和te21模相互耦合,其色散曲線能夠在寬頻帶內(nèi)與電子回旋共振,因此需要對色散方程進(jìn)行研究。提出了適合工程實(shí)用的行波模式和返波模式的色散方程,并對方程中的耦合系數(shù)進(jìn)行了簡化,誤差在1%左右。利用cst軟件的vba語言對螺旋波紋波導(dǎo)進(jìn)行建模和計(jì)算,根據(jù)模擬得到的傳輸特性曲線的特點(diǎn),提出一種模擬方法,將模擬與理論計(jì)算得到的色散曲線作對比,誤差在5%左右。

從波導(dǎo)的等效邊界條件出發(fā),結(jié)合波導(dǎo)的激發(fā)方程組,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)說明了螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管的模式耦合機(jī)制。te1,1模會(huì)在螺旋波紋波導(dǎo)中耦合出te_2,1模,并且通過計(jì)算說明te_2,1模主要和te1,1模的空間-1次諧波發(fā)生耦合。

非線性理論是一種以駐波互作用過程為對象的大信號(hào)理論,它能準(zhǔn)確地反應(yīng)電子與波的互作用過程,計(jì)算輸出功率、效率等其他非線性理論問題。采用非線性理論中的自洽非線性理論和耦合波理論對螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管進(jìn)行研究,結(jié)和電子運(yùn)動(dòng)方程和互作用方程,反映電子運(yùn)動(dòng)和場的激勵(lì)相互演變過程。

螺旋波紋波導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)使te11和te21相互耦合,其色散特性相對于圓波導(dǎo)發(fā)生了極大地改變,使電磁波能夠在寬頻帶內(nèi)與電子注耦合,因此需要對其色散特性進(jìn)行研究。通過研究ka波段螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管的冷腔色散特性,可知螺旋波紋波導(dǎo)非常適用于回旋行波管的高頻結(jié)構(gòu)。由電子運(yùn)動(dòng)方程出發(fā),推導(dǎo)出了簡化的螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管的注波互作用方程。

螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管與采用光滑圓波導(dǎo)的回旋管相比,有較大的帶寬。介紹了該類回旋行波管的非線性注波互作用理論。計(jì)算結(jié)果表明該理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)報(bào)道的結(jié)果基本符合,相應(yīng)的電子效率達(dá)到29%,飽和增益達(dá)到37db,工作磁場0.21t,電壓185kv,電流19a。

提出了一種具有工作電壓小、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好等特點(diǎn)的新型慢波結(jié)構(gòu)——徑向螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu),利用電磁仿真軟件分析了其色散及傳輸特性,結(jié)果表明該種結(jié)構(gòu)行波管工作電壓可低至數(shù)百伏.由于圓柱電子槍發(fā)射面遠(yuǎn)大于常規(guī)行波管,因而在小電流密度下仍可保證大電流:電流密度為100ma/cm2時(shí)電流可達(dá)30a.該結(jié)構(gòu)在w波段具有較大的尺寸,易于加工,并且在更高波段同樣具有很好的傳輸特性,具有較大的研究價(jià)值.

從螺旋波紋波導(dǎo)的一般性耦合波傳輸方程出發(fā),根據(jù)螺旋波紋波導(dǎo)的模式耦合規(guī)則給出該波導(dǎo)內(nèi)返波的耦合波方程和色散方程并分析其色散特性,由此分析螺旋波紋波導(dǎo)返波管的工作機(jī)理,并通過耦合波理論計(jì)算出本征模式中場的分布情況.

研制出頻帶覆蓋k波段、輸出功率分別為60w、120w兩種行波管產(chǎn)品,同時(shí)在這兩種產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分設(shè)計(jì)改進(jìn),研制出k波段帶寬1ghz,飽和輸出功率250w通訊用的行波管。60w/120w行波管采用傳導(dǎo)冷卻方式,二者具有相同的外形結(jié)構(gòu)及工作電壓。該系列行波管采用兩級降壓收集極,其全頻帶效率達(dá)到30%附近。250w通信用行波管在前兩種管型的基礎(chǔ)上采用小型化的結(jié)構(gòu),有效地減小行波管的體積與重量,同時(shí)采用三級降壓收集極,其總效率達(dá)到40%以上。

本文介紹了國內(nèi)外q波段螺旋線行波管研究進(jìn)展,給出了作者在q波段螺旋線行波管設(shè)計(jì)和性能測試結(jié)果。電子槍采用皮爾斯型電子槍,高頻采用螺旋線結(jié)構(gòu),為了提高行波管效率,采用四級降壓收集極。測試結(jié)果表明在工作頻帶內(nèi)連續(xù)波飽和輸出功率超過30w,總效率超過21%,行波管動(dòng)態(tài)流通率超過98%,飽和增益超過了45.5db。

ka波段螺旋線大功率行波管在大容量的通信系統(tǒng)中具有重要作用,本文介紹了目前大功率連續(xù)波螺旋線行波管的現(xiàn)狀,對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析。通過對高頻結(jié)構(gòu)的互作用分析、熱分析、多級降壓收集極等分析,設(shè)計(jì)了一個(gè)ka波段連續(xù)波500w行波管的螺旋線互作用結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明可以滿足設(shè)計(jì)要求。

本文簡述了x波段350w相位一致脈沖行波管的成功研制情況,并簡單介紹了其應(yīng)用和后續(xù)需求。

給出了螺旋波紋壁圓柱波導(dǎo)回旋行波放大器非線性模擬中,處理偏模的初值問題和計(jì)算精度瞬時(shí)監(jiān)測問題兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。采用這些技術(shù)編制的程序所得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與denisov等人實(shí)驗(yàn)觀測值符合得很好。在此基礎(chǔ)上,對電子束速度離散、螺旋開槽周期和開槽深度對效率的影響,進(jìn)行了非線性模擬研究。結(jié)果表明:螺旋波紋壁圓柱波導(dǎo)回旋行波放大器效率對電子束速度離散不敏感,而對螺旋波紋開槽周期和開槽深度的依賴性較強(qiáng);通過參數(shù)優(yōu)化可望把目前實(shí)驗(yàn)的效率水平提高到25.6%。

通過對螺旋帶行波管帶上表面電流的chebyshev展開,得出了色散關(guān)系,求出了電場分量和磁場分量的表達(dá)式,進(jìn)而求得了耦合阻抗和耦合磁導(dǎo)納。計(jì)算并分析了一個(gè)典型結(jié)構(gòu)的縱向電磁場分量,由這些分量得出的耦合阻抗與chernin等的結(jié)果有很好的一致性,說明了電場表達(dá)式的有效性。場表達(dá)式可應(yīng)用于3維行波管cad的程序編寫,耦合磁導(dǎo)納的計(jì)算程序更是行波管cad不可缺少的部分。

主要介紹了螺旋線行波管螺旋線的兩種夾持方法:金屬管殼三角變形夾持法和綁扎金屬管殼熱膨脹夾持法,并對兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了比較。

該文對螺旋線行波管中的場進(jìn)行了數(shù)值分析。研究表明數(shù)值求解時(shí)主從邊界條件的位置決定場傳播的方向,螺旋線旋轉(zhuǎn)方向決定場的旋轉(zhuǎn)變化方向。螺旋線外各類夾持桿和翼片對螺旋線內(nèi)部場分布影響很小,場基本隨貝塞爾函數(shù)分布,但耦合阻抗變化較大,這主要是由于場受螺旋線外結(jié)構(gòu)影響而影響功率分配。同時(shí),對場的各次空間諧波的研究,特別是零次和負(fù)一次空間諧波,有利于準(zhǔn)確地求解各次空間諧波的耦合阻抗,對提高螺旋線行波管放大器和返波振蕩的大信號(hào)注波互作用計(jì)算的準(zhǔn)確性有重要的意義。

研究了螺旋線行波管中電子注與高頻場互作用的時(shí)域理論.電子對場的作用由高頻場方程和空間電荷場方程模擬,場對電子注的作用由運(yùn)動(dòng)方程模擬.在螺旋導(dǎo)電面模型下利用安培環(huán)路定理和法拉第電磁感應(yīng)定律得到了時(shí)域高頻場方程.利用空間電荷波模型處理空間電荷場,得到了空間電荷場方程.將高頻場和空間電荷場代入洛倫茲力方程,得到了運(yùn)動(dòng)方程.利用耦合阻抗處理高頻場方程的激勵(lì)源,使得高頻場方程的求解能夠借助諸如hfss或hfcs等高頻模擬軟件來實(shí)現(xiàn),增強(qiáng)了時(shí)域理論的靈活性.基于上述理論,編寫軟件數(shù)值模擬某螺旋線行波管,驗(yàn)證了時(shí)域理論的可行性.

ka波段大功率螺旋線行波管在雷達(dá)、電子對抗及通信等電子裝備中發(fā)揮著日益重要的作用.本文初步設(shè)計(jì)了一種ka波段1kw螺旋線脈沖行波管的高頻結(jié)構(gòu).工作電壓18.5kv、工作電流380ma,工作帶寬6ghz功率1.1kw,電子效率15％,飽和增益40db.針對大功率螺旋線行波管中極易出現(xiàn)的返波振蕩現(xiàn)象,通過合理設(shè)計(jì)衰減器的大小和位置,螺旋線的尺寸分布,有效地抑制了返波振蕩出現(xiàn)的概率.

基于夾持桿分層螺旋帶模型和三維電磁場分析研究了毫米波螺旋線行波管慢波系統(tǒng)的導(dǎo)體和介質(zhì)損耗。螺旋帶模型中介質(zhì)損耗考慮為縱向傳播常數(shù)的虛部,給出螺旋帶中電磁場的解析解,導(dǎo)體損耗由螺旋線和管殼表面的面電流不連續(xù)性獲得。三維電磁場分析通過本征模法,求解單周期結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)和周期儲(chǔ)能獲得有限導(dǎo)電率導(dǎo)體和夾持桿陶瓷損耗角帶來的慢波系統(tǒng)高頻損耗。結(jié)果表明,毫米波段螺旋線的導(dǎo)體損耗和夾持桿的介質(zhì)損耗遠(yuǎn)大于管殼導(dǎo)體損耗,介質(zhì)損耗與陶瓷損耗角呈線性關(guān)系,對高頻損耗的影響不可忽略。

基于耦合波理論,運(yùn)用阻抗微擾法得到了內(nèi)開槽螺紋波導(dǎo)的色散方程及耦合條件,并從相對論電子運(yùn)動(dòng)方程入手得到了自洽非線性方程組,通過一階線性近似導(dǎo)出了注-波互作用線性關(guān)系及色散方程.運(yùn)用數(shù)值計(jì)算及3維粒子模擬軟件冷腔分析對該波導(dǎo)冷腔色散特性及注-波互作用色散特性進(jìn)行了研究.

提出了一種新型的微帶線慢波結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的n型微帶線慢波結(jié)構(gòu)相比,新型結(jié)構(gòu)具有相速值較小、工作電壓低、功率大、耦合阻抗高等特點(diǎn)。利用hfss和cst分別對此結(jié)構(gòu)在v波段進(jìn)行高頻特性、傳輸特性和注-波互作用仿真,得出在60ghz頻點(diǎn)耦合阻抗大于20ω,在55~63ghz頻段內(nèi)vswr<1.5;當(dāng)輸入功率為100mw時(shí),并且?guī)铍娮幼⒌碾娏骱碗妷悍謩e工作在100ma和5kv的條件下,該行波管慢波結(jié)構(gòu)的最大輸出功率為115w,平均互作用效率為14.6%,瞬時(shí)3db帶寬為5ghz(56~61ghz)。