8mm回旋行波管和返波管三折螺旋波紋波導色散分析

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構——螺旋波紋波導回旋行波管。通過螺旋波紋波導的特殊結構使通過波導的兩種模式發(fā)生耦合,耦合出一種新的工作模式,從而改變色散特性,達到抑制自激振蕩和增加帶寬的目的。通過螺旋波紋波導的色散方程,分析其色散曲線,從而分析螺旋波紋波導作為回旋行波管高頻系統(tǒng)的優(yōu)勢。

俄羅斯學者denisov等提出一種螺旋波紋波導結構，通過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理上增大了互作用效率和頻帶寬度。因此以它為高頻結構的回旋行波管已成為當今的研究熱點，其關鍵技術是對螺旋波紋波導進行色散和互作用設計。

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

從波導的等效邊界條件出發(fā),結合波導的激發(fā)方程組,通過數(shù)學推導說明了螺旋波紋波導回旋行波管的模式耦合機制。te1,1模會在螺旋波紋波導中耦合出te_2,1模,并且通過計算說明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理論,它能準確地反應電子與波的互作用過程,計算輸出功率、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回旋行波管進行研究,結和電子運動方程和互作用方程,反映電子運動和場的激勵相互演變過程。

螺旋波紋波導回旋行波管與采用光滑圓波導的回旋管相比,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。計算結果表明該理論計算結果與實際實驗報道的結果基本符合,相應的電子效率達到29%,飽和增益達到37db,工作磁場0.21t,電壓185kv,電流19a。

螺旋波紋波導的特殊結構使te11和te21相互耦合,其色散特性相對于圓波導發(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行研究。通過研究ka波段螺旋波紋波導回旋行波管的冷腔色散特性,可知螺旋波紋波導非常適用于回旋行波管的高頻結構。由電子運動方程出發(fā),推導出了簡化的螺旋波紋波導回旋行波管的注波互作用方程。

提出了一種具有工作電壓小、結構緊湊、散熱性好等特點的新型慢波結構——徑向螺旋波導結構,利用電磁仿真軟件分析了其色散及傳輸特性,結果表明該種結構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時電流可達30a.該結構在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,具有較大的研究價值.

通過對螺旋帶行波管帶上表面電流的chebyshev展開,得出了色散關系,求出了電場分量和磁場分量的表達式,進而求得了耦合阻抗和耦合磁導納。計算并分析了一個典型結構的縱向電磁場分量,由這些分量得出的耦合阻抗與chernin等的結果有很好的一致性,說明了電場表達式的有效性。場表達式可應用于3維行波管cad的程序編寫,耦合磁導納的計算程序更是行波管cad不可缺少的部分。

該文對螺旋線行波管中的場進行了數(shù)值分析。研究表明數(shù)值求解時主從邊界條件的位置決定場傳播的方向,螺旋線旋轉方向決定場的旋轉變化方向。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構影響而影響功率分配。同時,對場的各次空間諧波的研究,特別是零次和負一次空間諧波,有利于準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注波互作用計算的準確性有重要的意義。

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)缺點做了比較。

從螺旋波紋波導的一般性耦合波傳輸方程出發(fā),根據(jù)螺旋波紋波導的模式耦合規(guī)則給出該波導內(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返波管的工作機理,并通過耦合波理論計算出本征模式中場的分布情況.

研究了螺旋線行波管中電子注與高頻場互作用的時域理論.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動方程模擬.在螺旋導電面模型下利用安培環(huán)路定理和法拉第電磁感應定律得到了時域高頻場方程.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,得到了運動方程.利用耦合阻抗處理高頻場方程的激勵源,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現(xiàn),增強了時域理論的靈活性.基于上述理論,編寫軟件數(shù)值模擬某螺旋線行波管,驗證了時域理論的可行性.

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,同時在這兩種產(chǎn)品的基礎上進行部分設計改進,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行波管采用傳導冷卻方式,二者具有相同的外形結構及工作電壓。該系列行波管采用兩級降壓收集極,其全頻帶效率達到30%附近。250w通信用行波管在前兩種管型的基礎上采用小型化的結構,有效地減小行波管的體積與重量,同時采用三級降壓收集極,其總效率達到40%以上。

本文介紹了國內(nèi)外q波段螺旋線行波管研究進展,給出了作者在q波段螺旋線行波管設計和性能測試結果。電子槍采用皮爾斯型電子槍,高頻采用螺旋線結構,為了提高行波管效率,采用四級降壓收集極。測試結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%,行波管動態(tài)流通率超過98%,飽和增益超過了45.5db。

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)的導體和介質損耗。螺旋帶模型中介質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,求解單周期結構的品質因數(shù)和周期儲能獲得有限導電率導體和夾持桿陶瓷損耗角帶來的慢波系統(tǒng)高頻損耗。結果表明,毫米波段螺旋線的導體損耗和夾持桿的介質損耗遠大于管殼導體損耗,介質損耗與陶瓷損耗角呈線性關系,對高頻損耗的影響不可忽略。

在一維場論注-波互作用理論的基礎上,引入磁場對角向速度的影響,建立了二維非線性返波注-波互作用理論,模擬返波振蕩.對不同空間電荷參量下起振長度的變化進行了小信號分析比較,結果與等效線路模型比較接近;對某8—18ghz行波管進行了實測比較,結果也比較一致.同時還研究了影響返波振蕩起振長度的因素,提出了該管的抑制返波振蕩方案.

給出了螺旋波紋壁圓柱波導回旋行波放大器非線性模擬中,處理偏模的初值問題和計算精度瞬時監(jiān)測問題兩項關鍵技術。采用這些技術編制的程序所得到的數(shù)值計算結果與denisov等人實驗觀測值符合得很好。在此基礎上,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,進行了非線性模擬研究。結果表明:螺旋波紋壁圓柱波導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;通過參數(shù)優(yōu)化可望把目前實驗的效率水平提高到25.6%。

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

應用ansys有限元軟件對ku波段螺旋線行波管慢波結構部分進行了熱分析研究,通過考慮3種不同的支撐桿材料和形狀,以及是否考慮接觸熱阻情況下的模擬結果的比較,提出了慢波結構部分具有良好熱傳導能力,以確保在更低的溫度下穩(wěn)定工作的簡單優(yōu)化方案。

本文介紹一種螺旋線行波管的線性設計,該行波管用于通信。為保證通信信號的質量,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,文中將結合一種ka頻段空間行波管的改進過程,以相移作為線性參數(shù)的代表性指標,分析所采取的改進措施對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%。

運用3d粒子模擬軟件magic分析了矩形螺旋線行波管(twt)的注-波互作用過程。模型設計了電導率線性漸變的電阻耦合器代替同軸輸入輸出結構來減少反射,消除自激震蕩。仿真結果表明:矩形螺旋線twt模型能夠進行有效的注-波互作用,完全可以反映管內(nèi)互作用的非線性本質,證明了模型設計的合理性,并對影響注-波互作用的一些重要參量進行了討論。設計的x波段twt可達到的指標為:工作頻率8～12ghz,輸出功率峰值達480w,3db帶寬為4ghz,電子效率為11.8%。