支撐桿對(duì)螺旋型行波管慢波結(jié)構(gòu)溫度分布

研究了螺旋線行波管中電子注與高頻場(chǎng)互作用的時(shí)域理論.電子對(duì)場(chǎng)的作用由高頻場(chǎng)方程和空間電荷場(chǎng)方程模擬,場(chǎng)對(duì)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(chǎng)方程.利用空間電荷波模型處理空間電荷場(chǎng),得到了空間電荷場(chǎng)方程.將高頻場(chǎng)和空間電荷場(chǎng)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(chǎng)方程的激勵(lì)源,使得高頻場(chǎng)方程的求解能夠借助諸如hfss或hfcs等高頻模擬軟件來(lái)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.

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(jí)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(jí)降壓收集極,其總效率達(dá)到40%以上。

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(duì)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)。

在一維場(chǎng)論注-波互作用理論的基礎(chǔ)上,引入磁場(chǎng)對(duì)角向速度的影響,建立了二維非線性返波注-波互作用理論,模擬返波振蕩.對(duì)不同空間電荷參量下起振長(zhǎng)度的變化進(jìn)行了小信號(hào)分析比較,結(jié)果與等效線路模型比較接近;對(duì)某8—18ghz行波管進(jìn)行了實(shí)測(cè)比較,結(jié)果也比較一致.同時(shí)還研究了影響返波振蕩起振長(zhǎng)度的因素,提出了該管的抑制返波振蕩方案.

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(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)高頻結(jié)構(gòu)的互作用分析、熱分析、多級(jí)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。

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(duì)兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了比較。

俄羅斯學(xué)者denisov等提出一種螺旋波紋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩模式在角向上的耦合使電子與波在寬頻帶內(nèi)發(fā)生有效的作用，由此制成的回旋行波管從物理機(jī)理上增大了互作用效率和頻帶寬度。因此以它為高頻結(jié)構(gòu)的回旋行波管已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)螺旋波紋波導(dǎo)進(jìn)行色散和互作用設(shè)計(jì)。

該文對(duì)螺旋線行波管中的場(chǎng)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(chǎng)傳播的方向,螺旋線旋轉(zhuǎn)方向決定場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)變化方向。螺旋線外各類夾持桿和翼片對(duì)螺旋線內(nèi)部場(chǎng)分布影響很小,場(chǎng)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(chǎng)受螺旋線外結(jié)構(gòu)影響而影響功率分配。同時(shí),對(duì)場(chǎng)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(duì)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。

通過(guò)對(duì)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(chǎng)分量和磁場(chǎng)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(chǎng)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(shuō)明了電場(chǎng)表達(dá)式的有效性。場(chǎng)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。

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?jī)r(jià)值.

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(chǎng)與波導(dǎo)表面微擾幅度對(duì)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(shuō)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)。

本文介紹了國(guó)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(cè)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(jí)降壓收集極。測(cè)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(guò)30w,總效率超過(guò)21%,行波管動(dòng)態(tài)流通率超過(guò)98%,飽和增益超過(guò)了45.5db。

支撐桿與限位片

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(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)說(shuō)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(guò)計(jì)算說(shuō)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(guò)程為對(duì)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(guò)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(duì)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(chǎng)的激勵(lì)相互演變過(guò)程。

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

對(duì)螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管的冷腔色散特性進(jìn)行了研究,通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算,得到了螺旋波紋波導(dǎo)的冷腔色散方程和色散曲線,并分析了幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其色散特性的影響。同時(shí)利用三維電磁仿真軟件hfss對(duì)螺旋波紋波導(dǎo)進(jìn)行建模和計(jì)算。

為抑制回旋行波管的自激振蕩和增加回旋行波管帶寬,俄羅斯g.denisov等人提出一種新型回旋行波管結(jié)構(gòu)——螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管。通過(guò)螺旋波紋波導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)使通過(guò)波導(dǎo)的兩種模式發(fā)生耦合,耦合出一種新的工作模式,從而改變色散特性,達(dá)到抑制自激振蕩和增加帶寬的目的。通過(guò)螺旋波紋波導(dǎo)的色散方程,分析其色散曲線,從而分析螺旋波紋波導(dǎo)作為回旋行波管高頻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)用3d粒子模擬軟件magic分析了矩形螺旋線行波管(twt)的注-波互作用過(guò)程。模型設(shè)計(jì)了電導(dǎo)率線性漸變的電阻耦合器代替同軸輸入輸出結(jié)構(gòu)來(lái)減少反射,消除自激震蕩。仿真結(jié)果表明:矩形螺旋線twt模型能夠進(jìn)行有效的注-波互作用,完全可以反映管內(nèi)互作用的非線性本質(zhì),證明了模型設(shè)計(jì)的合理性,并對(duì)影響注-波互作用的一些重要參量進(jìn)行了討論。設(shè)計(jì)的x波段twt可達(dá)到的指標(biāo)為:工作頻率8～12ghz,輸出功率峰值達(dá)480w,3db帶寬為4ghz,電子效率為11.8%。

介紹了同軸磁絕緣傳輸線(mitl)的工作特性,對(duì)傳輸線極間電子分布、電子損失與磁絕緣的關(guān)系進(jìn)行了闡述;分析了同軸磁絕緣傳輸線極間電子對(duì)傳輸線阻抗的影響,采用理論分析與粒子模擬相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)同軸mitl與負(fù)載軸對(duì)稱平板二極管的阻抗匹配。運(yùn)用mpi并行算法分別對(duì)帶螺旋支撐桿的mitl進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析,得出了所添加的螺旋金屬支撐桿對(duì)同軸傳輸器件的影響。電壓的最大損失率為2%,陽(yáng)極電流的最大損失率達(dá)到了4.4%,陰極電流的損失率為8.9%,電磁場(chǎng)以及粒子實(shí)空間都有相應(yīng)的變化。

本文介紹一種螺旋線行波管的線性設(shè)計(jì),該行波管用于通信。為保證通信信號(hào)的質(zhì)量,該型行波管必須具有較好的線性性能,如相移、三階交調(diào)等,文中將結(jié)合一種ka頻段空間行波管的改進(jìn)過(guò)程,以相移作為線性參數(shù)的代表性指標(biāo),分析所采取的改進(jìn)措施對(duì)行波管線性性能的提升。目前,該行波管的主要高頻參數(shù)為:相移50°(飽和回退20db)、飽和增益50db、互作用效率20%。

ka波段大功率螺旋線行波管在雷達(dá)、電子對(duì)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(duì)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(guò)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.