8mm回旋行波管和返波管三折螺旋波纹波导色散分析

为抑制回旋行波管的自激振荡和增加回旋行波管带宽,俄罗斯g.denisov等人提出一种新型回旋行波管结构——螺旋波纹波导回旋行波管。通过螺旋波纹波导的特殊结构使通过波导的两种模式发生耦合,耦合出一种新的工作模式,从而改变色散特性,达到抑制自激振荡和增加带宽的目的。通过螺旋波纹波导的色散方程,分析其色散曲线,从而分析螺旋波纹波导作为回旋行波管高频系统的优势。

俄罗斯学者denisov等提出一种螺旋波纹波导结构，通过两模式在角向上的耦合使电子与波在宽频带内发生有效的作用，由此制成的回旋行波管从物理机理上增大了互作用效率和频带宽度。因此以它为高频结构的回旋行波管已成为当今的研究热点，其关键技术是对螺旋波纹波导进行色散和互作用设计。

螺旋波纹波导回旋行波管与采用圆波导的回旋行波管相比,有较大的带宽。介绍了它的线性注波互作用理论,并用该理论计算了不同的磁场与波导表面微扰幅度对ka波段螺旋波纹波导回旋行波管线性增益的影响。计算结果与已报道的实验结果基本符合,说明该理论可以初步确定螺旋波纹波导回旋行波管的各项参数。

从波导的等效边界条件出发,结合波导的激发方程组,通过数学推导说明了螺旋波纹波导回旋行波管的模式耦合机制。te1,1模会在螺旋波纹波导中耦合出te_2,1模,并且通过计算说明te_2,1模主要和te1,1模的空间-1次谐波发生耦合。

非线性理论是一种以驻波互作用过程为对象的大信号理论,它能准确地反应电子与波的互作用过程,计算输出功率、效率等其他非线性理论问题。采用非线性理论中的自洽非线性理论和耦合波理论对螺旋波纹波导回旋行波管进行研究,结和电子运动方程和互作用方程,反映电子运动和场的激励相互演变过程。

螺旋波纹波导回旋行波管与采用光滑圆波导的回旋管相比,有较大的带宽。介绍了该类回旋行波管的非线性注波互作用理论。计算结果表明该理论计算结果与实际实验报道的结果基本符合,相应的电子效率达到29%,饱和增益达到37db,工作磁场0.21t,电压185kv,电流19a。

螺旋波纹波导的特殊结构使te11和te21相互耦合,其色散特性相对于圆波导发生了极大地改变,使电磁波能够在宽频带内与电子注耦合,因此需要对其色散特性进行研究。通过研究ka波段螺旋波纹波导回旋行波管的冷腔色散特性,可知螺旋波纹波导非常适用于回旋行波管的高频结构。由电子运动方程出发,推导出了简化的螺旋波纹波导回旋行波管的注波互作用方程。

提出了一种具有工作电压小、结构紧凑、散热性好等特点的新型慢波结构——径向螺旋波导结构,利用电磁仿真软件分析了其色散及传输特性,结果表明该种结构行波管工作电压可低至数百伏.由于圆柱电子枪发射面远大于常规行波管,因而在小电流密度下仍可保证大电流:电流密度为100ma/cm2时电流可达30a.该结构在w波段具有较大的尺寸,易于加工,并且在更高波段同样具有很好的传输特性,具有较大的研究价值.

通过对螺旋带行波管带上表面电流的chebyshev展开,得出了色散关系,求出了电场分量和磁场分量的表达式,进而求得了耦合阻抗和耦合磁导纳。计算并分析了一个典型结构的纵向电磁场分量,由这些分量得出的耦合阻抗与chernin等的结果有很好的一致性,说明了电场表达式的有效性。场表达式可应用于3维行波管cad的程序编写,耦合磁导纳的计算程序更是行波管cad不可缺少的部分。

该文对螺旋线行波管中的场进行了数值分析。研究表明数值求解时主从边界条件的位置决定场传播的方向,螺旋线旋转方向决定场的旋转变化方向。螺旋线外各类夹持杆和翼片对螺旋线内部场分布影响很小,场基本随贝塞尔函数分布,但耦合阻抗变化较大,这主要是由于场受螺旋线外结构影响而影响功率分配。同时,对场的各次空间谐波的研究,特别是零次和负一次空间谐波,有利于准确地求解各次空间谐波的耦合阻抗,对提高螺旋线行波管放大器和返波振荡的大信号注波互作用计算的准确性有重要的意义。

主要介绍了螺旋线行波管螺旋线的两种夹持方法:金属管壳三角变形夹持法和绑扎金属管壳热膨胀夹持法,并对两种方法的优缺点做了比较。

从螺旋波纹波导的一般性耦合波传输方程出发,根据螺旋波纹波导的模式耦合规则给出该波导内返波的耦合波方程和色散方程并分析其色散特性,由此分析螺旋波纹波导返波管的工作机理,并通过耦合波理论计算出本征模式中场的分布情况.

研究了螺旋线行波管中电子注与高频场互作用的时域理论.电子对场的作用由高频场方程和空间电荷场方程模拟,场对电子注的作用由运动方程模拟.在螺旋导电面模型下利用安培环路定理和法拉第电磁感应定律得到了时域高频场方程.利用空间电荷波模型处理空间电荷场,得到了空间电荷场方程.将高频场和空间电荷场代入洛伦兹力方程,得到了运动方程.利用耦合阻抗处理高频场方程的激励源,使得高频场方程的求解能够借助诸如hfss或hfcs等高频模拟软件来实现,增强了时域理论的灵活性.基于上述理论,编写软件数值模拟某螺旋线行波管,验证了时域理论的可行性.

研制出频带覆盖k波段、输出功率分别为60w、120w两种行波管产品,同时在这两种产品的基础上进行部分设计改进,研制出k波段带宽1ghz,饱和输出功率250w通讯用的行波管。60w/120w行波管采用传导冷却方式,二者具有相同的外形结构及工作电压。该系列行波管采用两级降压收集极,其全频带效率达到30%附近。250w通信用行波管在前两种管型的基础上采用小型化的结构,有效地减小行波管的体积与重量,同时采用三级降压收集极,其总效率达到40%以上。

本文介绍了国内外q波段螺旋线行波管研究进展,给出了作者在q波段螺旋线行波管设计和性能测试结果。电子枪采用皮尔斯型电子枪,高频采用螺旋线结构,为了提高行波管效率,采用四级降压收集极。测试结果表明在工作频带内连续波饱和输出功率超过30w,总效率超过21%,行波管动态流通率超过98%,饱和增益超过了45.5db。

基于夹持杆分层螺旋带模型和三维电磁场分析研究了毫米波螺旋线行波管慢波系统的导体和介质损耗。螺旋带模型中介质损耗考虑为纵向传播常数的虚部,给出螺旋带中电磁场的解析解,导体损耗由螺旋线和管壳表面的面电流不连续性获得。三维电磁场分析通过本征模法,求解单周期结构的品质因数和周期储能获得有限导电率导体和夹持杆陶瓷损耗角带来的慢波系统高频损耗。结果表明,毫米波段螺旋线的导体损耗和夹持杆的介质损耗远大于管壳导体损耗,介质损耗与陶瓷损耗角呈线性关系,对高频损耗的影响不可忽略。

在一维场论注-波互作用理论的基础上,引入磁场对角向速度的影响,建立了二维非线性返波注-波互作用理论,模拟返波振荡.对不同空间电荷参量下起振长度的变化进行了小信号分析比较,结果与等效线路模型比较接近;对某8—18ghz行波管进行了实测比较,结果也比较一致.同时还研究了影响返波振荡起振长度的因素,提出了该管的抑制返波振荡方案.

ka波段螺旋线大功率行波管在大容量的通信系统中具有重要作用,本文介绍了目前大功率连续波螺旋线行波管的现状,对相关技术进行了分析。通过对高频结构的互作用分析、热分析、多级降压收集极等分析,设计了一个ka波段连续波500w行波管的螺旋线互作用结构,计算机模拟结果表明可以满足设计要求。

本文简述了x波段350w相位一致脉冲行波管的成功研制情况,并简单介绍了其应用和后续需求。

给出了螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器非线性模拟中,处理偏模的初值问题和计算精度瞬时监测问题两项关键技术。采用这些技术编制的程序所得到的数值计算结果与denisov等人实验观测值符合得很好。在此基础上,对电子束速度离散、螺旋开槽周期和开槽深度对效率的影响,进行了非线性模拟研究。结果表明:螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器效率对电子束速度离散不敏感,而对螺旋波纹开槽周期和开槽深度的依赖性较强;通过参数优化可望把目前实验的效率水平提高到25.6%。

结合时域有限差分方法和粒子模拟方法,开发了螺旋线行波管的三维注-波互作用粒子模拟程序。从最基本的电磁场运动规律和力学规律出发,利用高速计算机直接求解完整的麦克斯韦方程组和洛伦兹方程,完成了对c波段螺旋线行波管的注-波互作用的模拟计算,得到了电子的相位和空间分布以及管子的功率、增益等电性能参量,验证了程序的正确性,为后期优化和设计奠定了基础。

基于耦合波理论,运用阻抗微扰法得到了内开槽螺纹波导的色散方程及耦合条件,并从相对论电子运动方程入手得到了自洽非线性方程组,通过一阶线性近似导出了注-波互作用线性关系及色散方程.运用数值计算及3维粒子模拟软件冷腔分析对该波导冷腔色散特性及注-波互作用色散特性进行了研究.