一种用于超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法

摘要

本发明属于超宽带行波管技术领域，涉及一种用于超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法，该方法首先确定螺旋线内径，然后保持螺旋线内径不变的前提下，通过调节螺距和翼片内径使得输入段的高频特性呈现“高耦合阻抗”、输出段的色散特性呈现“超反常色散”，从而分别确定输入段、输出段的螺距和翼片内径。输入段呈现“高耦合阻抗”特性，螺旋线前向波与电子注同步程度更高，输出功率则会大大提高；而输出段呈现“超反常色散”特性，极大的破坏高次谐波与电子注的同步，从而获得更好的谐波抑制效果。本发明设计高频结构能够显著提高输出功率、且更好地抑制谐波，在4.5～18GHz整个频率范围内输出功率大于115W，且4.5GHz处的二次谐波小于‑5dBc。

说明书

技术领域

本发明属于超宽带行波管技术领域，涉及一种用于超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法，特别应用于4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管。

背景技术

超宽带行波管是指频段范围覆盖广的行波管，作为末级功率放大器，它在电子对抗、通信、雷达、精确制导和遥感探测等方面依然发挥着巨大的作用。4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管可用于机载、车载和舰载等干扰系统，在未来电子战中具有广泛的应用前景。近年来，国内外学者也对行波管超宽带方面进行了大量的研究和测试，法国THales公司研制的TH44 43型行波管，在4.5～5.5GHz频率范围内输出功率大于120瓦，在5.5～18GHz内大于200瓦，在4.5GHz处的二次谐波抑制比达到了0dBc；美国的CPI公司研制的VTM-6196R5型行波管，在4～18GHz内输出功率能达到25瓦；中科院电子学研究所对4.5～18GHz、100瓦超宽带行波管进行了专题研究。

对于4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管，其高频结构必须克服两个问题：提高输出功率和抑制谐波。由于4.5～18GHz覆盖的频带很宽，4.5GHz的四次谐波依然在工作频带内，所以研究如何抑制谐波(主要是二次谐波)显得尤为重要，传统抑制谐波的方法主要是改变螺距，通过螺距的跳变、渐变来破坏谐波与电子注的同步，从而来降低谐波输出功率；而输出功率的提高与电子注和螺旋线前向波在整个频带内的同步程度以及耦合阻抗相关，同步得越好，耦合阻抗越高，输出功率就越大。目前，4.5～18GHz内现有超宽带螺旋线行波管的高频结构的输出功率以及谐波抑制特性都有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法，采用该方法能够进一步提高高频结构的输出功率、且更好地抑制谐波。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1.计算螺旋线内径：根据超宽带螺旋线行波管的工作电压计算出最佳同步相速和螺旋线内径；

步骤2.调节螺距和翼片内径：

对于输入段，保持螺旋线内径不变，增大翼片内径，同时减小螺距，使输入段的高频特性呈现“高耦合阻抗”、且色散归一化相速保持为最佳同步相速；

对于输出段，保持螺旋线内径不变，减小翼片内径，同时增大螺距，使输出段的高频特性呈现“超反常色散”、且色散归一化相速保持为最佳同步相速；

即设计得所述用于4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管的高频结构。

进一步的，所述步骤1的具体计算过程为：

由下式计算电子注速度v₀：

$v_0=\sqrt{2{\mathrm{\eta U}}_0},$

其中，η为电子荷质比，U₀为工作电压；

由下式迭代计算出最佳同步相速v_p和螺旋线内径a：

$v_p=\frac{v_0}{1+\sqrt{{\mathrm{QC}}^3}},\gamma a=\frac{{\omega }_0}{v_p}a=1,$

其中，QC³为空间电荷场归一化因子，ω₀为中心角频率，γ为高频电磁波传播常数。

需要特别说明的是，本发明设计方法中高频结构包括输入段和输出段，且输入段、输出段的色散特性均为反常色散。在输入段、输出段均呈现反常色散的色散特性下，固定螺旋线内径(因为改变内径会使布里渊磁场发生变化)，增大翼片内径会减小色散反常度，使耦合阻抗值增大，色散曲线变平坦，归一化相速值增加；减小翼片内径会增大色散反常度，归一化相速值减小；另外，增大螺距会使归一化相速值增加，减小螺距会使归一化相速值减小。同时需要特别解释三个定义：

1.翼片内径指高频结构中翼片前端(靠近螺旋线端)到中心点的距离；

2.“高耦合阻抗”指的是输入段在反常色散特性下，色散曲线最平坦的状态；

3.“超反常色散”指的是输出段色散反常度在0.79％到1.01％之间，色散反常度k定义为：

$k=\frac{({v_H}^{\prime }-{v_L}^{\prime })f_0}{f_H-f_L}\times 100\%$

其中，v_H′和v_L′分别为归一化相速的最大值和最小值，f_H和f_L分别为最高频点和最低频点值，f₀为中心频率。

本发明提出一种全新的互作用分布，其中输入段呈现“高耦合阻抗”的高频特性、输出段呈现“超反常色散”的高频特性；并根据这种互作用分布对用于4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管的高频结构进行设计，首先确定螺旋线内径，然后保持螺旋线内径不变的前提下，通过调节螺距和翼片内径使得输入段的高频特性呈现“高耦合阻抗”、输出段的色散特性呈现“超反常色散”，得到全新互作用分布，从而分别确定输入段、输出段的螺距和翼片内径。输入段呈现“高耦合阻抗”特性，则其色散曲线必然平坦，螺旋线前向波与电子注同步程度更高，输出功率则会大大提高；而输出段呈现“超反常色散”特性使色散曲线更加倾斜，极大的破坏高次谐波与电子注的同步，从而获得更好的谐波抑制效果。因此，通过本发明设计方法的高频结构能够显著提高输出功率、且能够更好地抑制谐波，在4.5～18GHz整个频率范围内输出功率大于115W，而且4.5GHz处的二次谐波小于-5dBc。

附图说明

图1为实施例中扇形翼片矩形夹持杆高频结构横截示意图。

图2为实施例中扇形翼片矩形夹持杆高频结构的互作用分布图。

图3为实施例中“高耦合阻抗”和“超反常色散”特性下的色散与耦合阻抗曲线。

图4为实施例中输出段色散反常度为1.01％时各频点基波输出功率随轴向位置的变化曲线。

图5为实施例中输出段色散反常度分别为0.56％、0.68％、0.79％、0.9％、1.01％、1.13％时各频点输出功率。

图6为实施例中输出段色散反常度分别为0.56％、0.68％、0.79％、0.9％、1.01％、1.13％时二次谐波抑制比。

图7为实施例中输出段色散反常度分别为0.56％、0.68％、0.79％、0.9％、1.01％、1.13％时4.5GHz的谐波抑制比和18GHz的输出功率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种针对4.5～18GHz超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法，其中高频结构采用扇形翼片矩形夹持杆高频结构，如图1所示；其设计方法包括以下步骤：

步骤1.根据需求指标计算螺旋线内径

本实施例中4.5～18GHz的超宽带螺旋线行波管的需求指标为：输出功率大于100W，总效率不小于30％，工作电压6000V，4.5GHz的二次谐波不大于-5dBc；

由下式计算出电子注速度v₀：

$v_0=\sqrt{2{\mathrm{\eta U}}_0}$

其中，η为电子荷质比，U₀为工作电压；

由下式迭代计算出最佳同步相速v_p和螺旋线内径a：

$v_p=\frac{v_0}{1+\sqrt{{\mathrm{QC}}^3}},\gamma a=\frac{{\omega }_0}{v_p}a=1$

其中，QC³为空间电荷场归一化因子，ω₀为中心角频率，γ为高频电磁波传播常数；

本实施例中计算得到螺旋线内径a为0.56mm，最佳同步相速为0.1379-0.1385-0.1394。

步骤2.调整螺距和翼片内径，得到高频结构互作用分布如图2所示：

在调整螺距和翼片内径的过程中，必须保持输入段、输出段的色散特性为反常色散，且两段的归一化相速(定义为同步相速与光速的比值)须保持为最佳同步相速；固定螺旋线内径，输入段增大翼片内径、减小螺距使其呈现“高耦合阻抗”的高频特性，本实施例中为调节翼片内径定Rs为0.8mm，调节螺距p为0.59mm；

输出段减小翼片内径、增大螺距使其呈现“超反常色散”的高频特性(色散特性)，本实施例中，互作用输出段采用多个的翼片内径(输入段翼片内径和螺距保持不变)，在输出段色散反常度分别为0.56％、0.68％、0.79％、0.9％、1.01％、1.13％时，对比测试了4.5～18GHz各频点基波输出功率和谐波抑制比；其各色散反常度对应的翼片内径和螺距下表所述：

步骤3.采用非等激励的方式得到互作用输出功率

在添加切断和衰减之后，分别导入输入段和输出段的高频特性数据，输入段为高耦合阻抗，输出段为“超反常色散”，采用非等激励的方式录入各频点输入功率，三维计算得到输出功率，谐波计算得到基波和谐波的功率；谐波抑制比定义为：

其中，P_谐和P_基分别某一频点二次谐波和基波的输出功率。

测试结果如图3至图7所示，其中，图3所示是“输入段高耦合阻抗输出段超反常色散”的互作用分布下的高频特性；图4所示结果对应为输出段的翼片内径为0.72mm，螺距为0.67mm的输出功率和基波谐波输出；图5所示是输出段色散反常度分别为0.56％、0.68％、0.79％、0.9％、1.01％、1.13％的各频点基波输出功率；图6所示是输出段色散反常度分别为0.56％、0.68％、0.79％、0.9％、1.01％、1.13％的谐波抑制比；图7所示是输出段色散反常度分别为0.56％、0.68％、0.79％、0.9％、1.01％、1.13％的4.5GHz的谐波抑制比和18GHz的输出功率；从图中可以看到，当输入段呈“高耦合阻抗”的高频特性、输出段呈“超反常色散”的高频特性(即色散反常度范围为0.79％到1.01％)时，本实施例高频结构达到全频带内输出功率大于115W及二次谐波抑制比小于-5dBc。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。