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狀,對相關技術進行了分析。通過對高頻結構的互作用分析、熱分析、多級降壓收集極等分析,設計了一個ka波段連續(xù)波500w行波管的螺旋線互作用結構,計算機模擬結果表明可以滿足設計要求。

該文對螺旋線行波管中的場進行了數值分析。研究表明數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部場分布影響很小,場基本隨貝塞爾函數分布,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。

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%。

結合時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。從最基本的電磁場運動規(guī)律和力學規(guī)律出發(fā),利用高速計算機直接求解完整的麥克斯韋方程組和洛倫茲方程,完成了對c波段螺旋線行波管的注-波互作用的模擬計算,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,驗證了程序的正確性,為后期優(yōu)化和設計奠定了基礎。

目前在室內外照明中經常用到很多汞燈,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,而且顯色指數太低,不適合室內照明。因此,2004年底實施的《建筑照明設計標準》已經明確指出":一般照明場所不宜采用熒光高壓汞燈,不應采用自鎮(zhèn)流熒光高壓汞燈。"有什么光源產品既方便又高效節(jié)能,能代替鎮(zhèn)流汞燈和高壓汞燈,并同時滿足室內室外照明的需求呢?

介紹了張力控制系統的硬件設計和控制算法的研究。首先進行了張力執(zhí)行元件的選擇,設計了張力檢測裝置,然后確立數學模型,采用增量式數字pid控制器,設計了張力控制器。通過仿真證明能較好地滿足預期的控制要求。

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。

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。

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。

對螺旋波紋波導回旋行波管的冷腔色散特性進行了研究,通過理論分析和數值計算,得到了螺旋波紋波導的冷腔色散方程和色散曲線,并分析了幾何結構參數變化對其色散特性的影響。同時利用三維電磁仿真軟件hfss對螺旋波紋波導進行建模和計算。

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的優(yōu)勢。

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。

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)生了極大的改變,使電磁波能夠在寬頻帶內與電子注耦合,因此需要對其色散特性進行研究。通過理論分析和數值計算,得到了螺旋波紋波導的行波模式、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行波模式色散特性和模式耦合的影響。研究表明,當螺紋深度變大時,螺旋波紋波導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;當螺紋周期變小時,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回旋行波管增益的提高。

三折螺旋波紋波導使te11模和te21模相互耦合,其色散曲線能夠在寬頻帶內與電子回旋共振,因此需要對色散方程進行研究。提出了適合工程實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進行了簡化,誤差在1%左右。利用cst軟件的vba語言對螺旋波紋波導進行建模和計算,根據模擬得到的傳輸特性曲線的特點,提出一種模擬方法,將模擬與理論計算得到的色散曲線作對比,誤差在5%左右。

從螺旋波紋波導的一般性耦合波傳輸方程出發(fā),根據螺旋波紋波導的模式耦合規(guī)則給出該波導內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.

介紹了一種vhf頻段寬帶大功率ldmos功放的設計方法,使用ads仿真軟件對其大信號模型的阻抗參數進行了提取,通過寬帶巴倫匹配技術實現了匹配電路的設計。利用諧波平衡法對功放電路的增益和效率指標進行仿真,并與實物測試數據對比,驗證了設計方法的可行性。該功放電路在vhf頻段100%相對帶寬內,實現輸出功率大于1000w,效率高于70%,帶內波動優(yōu)于1db的指標。文中為vhf頻段寬帶大功率ldmos功放電路的設計提供了一種可行的設計方法,可應用于同類型功放電路的設計中,具有廣闊的工程應用前景。

本文主要介紹了螺旋線焊接結構在x波段大功率螺旋線脈沖行波管中應用的必要性及實現方案,給出了采用焊接結構的螺旋線行波管慢波系統的熱仿真數據。整管試驗結果表明,在與600w行波管相同的傳導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兩種行波管產品,同時在這兩種產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。

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

針對大功率連續(xù)波行波管工作失效提出了復合管殼的應用問題,利用ansys穩(wěn)態(tài)熱分析軟件分析了復合管殼結構的散熱情況,對比所用材料的特性,結合熱測實際情況,證明此方法可行。

ka波段大功率螺旋線行波管在雷達、電子對抗及通信等電子裝備中發(fā)揮著日益重要的作用.本文初步設計了一種ka波段1kw螺旋線脈沖行波管的高頻結構.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的返波振蕩現象,通過合理設計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的概率.