寬帶大功率螺旋線行波管返波振蕩

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。

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。

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%。

結(jié)合時(shí)域有限差分方法和粒子模擬方法,開發(fā)了螺旋線行波管的三維注-波互作用粒子模擬程序。從最基本的電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和力學(xué)規(guī)律出發(fā),利用高速計(jì)算機(jī)直接求解完整的麥克斯韋方程組和洛倫茲方程,完成了對(duì)c波段螺旋線行波管的注-波互作用的模擬計(jì)算,得到了電子的相位和空間分布以及管子的功率、增益等電性能參量,驗(yàn)證了程序的正確性,為后期優(yōu)化和設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

目前在室內(nèi)外照明中經(jīng)常用到很多汞燈,其中包括自鎮(zhèn)流汞燈和高壓汞燈。自鎮(zhèn)流汞燈使用方便,但光效低,不節(jié)能;高壓汞燈雖然光效比自鎮(zhèn)流汞燈稍高,但需要接鎮(zhèn)流器,而且顯色指數(shù)太低,不適合室內(nèi)照明。因此,2004年底實(shí)施的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)明確指出":一般照明場(chǎng)所不宜采用熒光高壓汞燈,不應(yīng)采用自鎮(zhèn)流熒光高壓汞燈。"有什么光源產(chǎn)品既方便又高效節(jié)能,能代替鎮(zhèn)流汞燈和高壓汞燈,并同時(shí)滿足室內(nèi)室外照明的需求呢?

介紹了張力控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和控制算法的研究。首先進(jìn)行了張力執(zhí)行元件的選擇,設(shè)計(jì)了張力檢測(cè)裝置,然后確立數(shù)學(xué)模型,采用增量式數(shù)字pid控制器,設(shè)計(jì)了張力控制器。通過(guò)仿真證明能較好地滿足預(yù)期的控制要求。

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。

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(wèn)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。

應(yīng)用ansys有限元軟件對(duì)ku波段螺旋線行波管慢波結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了熱分析研究,通過(guò)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(jié)果的比較,提出了慢波結(jié)構(gòu)部分具有良好熱傳導(dǎo)能力,以確保在更低的溫度下穩(wěn)定工作的簡(jiǎn)單優(yōu)化方案。

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)。

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。

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(duì)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(duì)其色散特性進(jìn)行研究。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(duì)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(duì)克服模式競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)方程中的耦合系數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,誤差在1%左右。利用cst軟件的vba語(yǔ)言對(duì)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(duì)比,誤差在5%左右。

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(guò)耦合波理論計(jì)算出本征模式中場(chǎng)的分布情況.

介紹了一種vhf頻段寬帶大功率ldmos功放的設(shè)計(jì)方法,使用ads仿真軟件對(duì)其大信號(hào)模型的阻抗參數(shù)進(jìn)行了提取,通過(guò)寬帶巴倫匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)了匹配電路的設(shè)計(jì)。利用諧波平衡法對(duì)功放電路的增益和效率指標(biāo)進(jìn)行仿真,并與實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。該功放電路在vhf頻段100%相對(duì)帶寬內(nèi),實(shí)現(xiàn)輸出功率大于1000w,效率高于70%,帶內(nèi)波動(dòng)優(yōu)于1db的指標(biāo)。文中為vhf頻段寬帶大功率ldmos功放電路的設(shè)計(jì)提供了一種可行的設(shè)計(jì)方法,可應(yīng)用于同類型功放電路的設(shè)計(jì)中,具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

本文主要介紹了螺旋線焊接結(jié)構(gòu)在x波段大功率螺旋線脈沖行波管中應(yīng)用的必要性及實(shí)現(xiàn)方案,給出了采用焊接結(jié)構(gòu)的螺旋線行波管慢波系統(tǒng)的熱仿真數(shù)據(jù)。整管試驗(yàn)結(jié)果表明,在與600w行波管相同的傳導(dǎo)冷卻的條件下輸出功率能力大幅度提高,獲得了大于900w的平均功率。

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。

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。

通過(guò)模擬計(jì)算,分析螺旋線內(nèi)徑和螺距變化對(duì)色散和耦合阻抗的影響,優(yōu)化慢波結(jié)構(gòu),初步設(shè)計(jì)了ku波段螺旋線行波管慢波結(jié)構(gòu)。模擬行波管輸入輸出結(jié)構(gòu),得到輸入端反射系數(shù)小于-19db,電壓駐波比小于1.24。電子聚焦系統(tǒng)采用周期永磁聚焦,磁場(chǎng)周期為8.5mm,計(jì)算得到磁場(chǎng)峰值為0.17t。為提高注波互作用效率,采用具有動(dòng)態(tài)速度漸變特性的慢波結(jié)構(gòu),使得電子注與高頻場(chǎng)有足夠的互作用時(shí)間,從而保證電子不斷地將能量交給高頻場(chǎng)。運(yùn)用三維pic粒子模擬軟件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16ghz頻率范圍內(nèi)輸出功率大于88.7w,電子效率大于14.8%,增益大于34.6db。

針對(duì)大功率連續(xù)波行波管工作失效提出了復(fù)合管殼的應(yīng)用問(wèn)題,利用ansys穩(wěn)態(tài)熱分析軟件分析了復(fù)合管殼結(jié)構(gòu)的散熱情況,對(duì)比所用材料的特性,結(jié)合熱測(cè)實(shí)際情況,證明此方法可行。

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.