一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法

摘要

本发明公开了一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法，涉及慢波电路技术领域，具体包含：在输入调制段，采用渐变螺距使电子注得到很好的调制，形成交流分量降低群时延波动；在输出螺旋线群聚段，采用脉冲型螺距组合结构，随着电子注群聚的逐渐增强，形成幅值更高的交变电流，同时抑制谐波增大基波幅值；在输出螺旋线同步段，采用双负跳变结构，降低线路波相速的来维持注波之间的同步关系，使线路波得到了放大，进而保证了基波电流不断增长；在输出螺旋线能量交换段，末尾增大螺距，可有效降低交调分量同时降低电子注散焦，进而保证电子注脉动。该行波管除具备目前使用导航用产品高效率特性外，还进一步创新慢波结构设计，解决了影响导航精度的群时延失真大、二次谐波大、三阶交调分量大的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及慢波电路技术领域，尤其涉及一种导航卫星用L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路。

背景技术

L波段空间行波管是我国北斗导航卫星系统的核心器件，用于转发器分系统作为微波功率末级放大。目前星上使用的是L波段135W空间行波管。

随着国外GPS-III导航系统、伽利略卫星导航系统和我国新一代北斗导航系统的发展，从频谱重叠、接收信号等效载噪比两方面分析信号功率增强对其他导航信号质量的影响，分析结果表明,信号增强幅度在20dB以内时,可以明显提升增强信号的抗干扰性能。而信号幅度的增强很大程度上取决于行波管输出功率的增加。

因此，新一代北斗导航卫星系统对L波段空间行波管的更大功率输出性能提出了明确需求，而这其中螺旋线慢波电路电性能设计结构尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中L波段500W空间行波管大功率、低非线性失真的螺旋线慢波电路电性能设计一种导航卫星用L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路，该行波管除具备目前使用导航用产品高效率特性外，还进一步创新慢波结构设计，解决了影响导航精度的群时延失真大、二次谐波大、三阶交调分量大的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法，具体包含输入调制段、输出螺旋线群聚段、输出螺旋线同步段、输出螺旋线能量交换段，具体包含如下步骤：

步骤1，在输入调制段，采用渐变螺距使电子注得到很好的调制，形成交流分量降低群时延波动；

步骤2，在输出螺旋线群聚段，采用脉冲型螺距组合结构，随着电子注群聚的逐渐增强，形成幅值更高的交变电流，同时抑制谐波增大基波幅值；

步骤3，在输出螺旋线同步段，采用双负跳变结构，降低线路波相速的来维持注波之间的同步关系，使线路波得到了放大，进而保证了基波电流不断增长；

步骤4，在输出螺旋线能量交换段，末尾增大螺距，可有效降低交调分量同时降低电子注散焦，进而保证电子注脉动。

作为本发明一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法的进一步优选方案，慢波电路同步电压选取为4700V、总电流为255mA；

作为本发明一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法的进一步优选方案，在输入调制段，由螺距p1渐变至螺距p2，其中p1=1.71mm，p2=1.85mm，输入调制段总长为182.5mm，p1段螺距对应长度为68mm，p2段螺距对应长度为73.5mm，渐变段长为41mm。

作为本发明一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法的进一步优选方案，在输出群聚段，包含螺距p3、螺距p4、螺距p5，其中p3=1.99mm，p4=1.88mm，p5=2.06mm，其中p3第一段螺距对应长度为104.5mm，第二段为5mm，p4段螺距第一段对应长度为20mm，第二段为13mm，p5段螺距对应长度为63mm。

作为本发明一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法的进一步优选方案，在输出同步段，包含螺距p5、螺距p6、螺距p7，其中p6=1.85mm，p7=1.68mm，两个渐变段长度分别为12.9mm、18mm。

作为本发明一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法的进一步优选方案，在输出能量交换段，包含螺距p7、螺距p8，其中p7=1.68mm，p8=2.1mm，两个螺距对应长度分别为20mm、2.1mm。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明该L波段500W空间行波管与目前正在使用的导航用产品最大功率量级相比具有明显优势，为目前研制的导航卫星用空间行波管最高水平，具有很大的研究意义；

2.该行波管除具备目前使用导航用产品高效率特性外，还进一步创新慢波结构设计，解决了影响导航精度的群时延失真大、二次谐波大、三阶交调分量大的问题；

3.尤其是创新性采用“脉冲型”螺距组合结构将谐波转化为基波，抑制谐波同时提高电子效率，同时输出螺旋线末端采用大螺距可以有效降低交调分量同时降低电子注散焦，保证电子注脉动小；

4.本发明慢波电路设计方法，通过新型慢波电路渐变、跳变、差异调制组合结构及设计方法设计得到的输出功率大于600W，电子效率大于50%，二次谐波在-30dB以下，群时延波动在0.8ns以内，饱和点相移小于40°，三阶交调在输入回退3dB时大于10.5dB等电性能指标的慢波电路。

附图说明

图1是本发明新型慢波电路设计方法示意图。

图2是本发明新型慢波电路螺距分布图示意图；

图3是本发明MTSS软件中慢波电路分布示意图；

图4是本发明输出功率计算结果示意图；

图5是本发明电子效率计算结果示意图；

图6是本发明增益计算结果示意图；

图7是本发明相移计算结果示意图；

图8是本发明二次谐波计算结果示意图；

图9是本发明群时延波动计算结果示意图；

图10是本发明新型三阶交调计算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明专利的目的是为了研究L波段500W空间行波管大功率、低非线性失真的螺旋线慢波电路电性能设计，通过理论分析和CAD仿真设计，得出设计方案，为L波段500W空间行波管的研制奠定基础，最终提升新一代北斗导航卫星系统指标。

选取合适的电压电流，在输入调制段采用渐变螺距使电子注得到很好的调制，形成交流分量降低群时延波动；输出螺旋线群聚段创新性采用“脉冲型”螺距组合结构，随着电子注群聚的逐渐增强，形成幅值更高的交变电流，同时差异调制抑制谐波增大基波幅值；输出螺旋线同步段，采用双负跳变结构，进一步降低线路波相速的来维持注波之间的同步关系，使线路波得到了放大，另一方面又保证了基波电流不断增长；输出螺旋线能量交换段末尾增大螺距，可以有效降低交调分量同时降低电子注散焦，保证电子注脉动。

该L波段500W空间行波管与目前正在使用的导航用产品最大功率量级相比具有明显优势，为目前研制的导航卫星用空间行波管最高水平，具有很大的研究意义。该行波管除具备目前使用导航用产品高效率特性外，还进一步创新慢波结构设计，解决了影响导航精度的群时延失真大、二次谐波大、三阶交调分量大的问题。尤其是创新性采用“脉冲型”螺距组合结构将谐波转化为基波，抑制谐波同时提高电子效率，同时输出螺旋线末端采用大螺距可以有效降低交调分量同时降低电子注散焦，保证电子注脉动小。

在L波段500W空间行波管慢波电路的设计过程中，需要实现基波信号高效率500W输出功率的同时，同时抑制二次谐波、交调分量等非线性失真，以满足卫星高导航精度需求。在大功率要求下，实现高效率及低线性失真要求需要采用新型慢波电路渐变、跳变、差异调制组合结构及设计方法。

所述的慢波电路包括管壳、夹持杆、螺旋线、输入输能和输出输能；所述的螺旋线通过外部间隔均匀的夹持杆装配在管壳内，输入输能与管壳左端相连，输出输能与管壳右端相连；

新型慢波电路设计方法示意图1如下所示。一种L波段500W空间行波管螺旋线慢波电路电性能设计方法，具体包含输入调制段、输出螺旋线群聚段、输出螺旋线同步段、输出螺旋线能量交换段，具体包含如下步骤：

不同于传统螺旋线空间行波管渐变结构，该慢波电路设计方法有以下特点：

步骤1，在输入调制段，采用渐变螺距使电子注得到很好的调制，形成交流分量降低群时延波动；

步骤2，在输出螺旋线群聚段，采用脉冲型螺距组合结构，随着电子注群聚的逐渐增强，形成幅值更高的交变电流，同时抑制谐波增大基波幅值；

步骤3，在输出螺旋线同步段，采用双负跳变结构，降低线路波相速的来维持注波之间的同步关系，使线路波得到了放大，进而保证了基波电流不断增长；

步骤4，在输出螺旋线能量交换段，末尾增大螺距，可有效降低交调分量同时降低电子注散焦，进而保证电子注脉动。

慢波电路同步电压选取为4700V、总电流为255mA；

在输入调制段，由螺距p1渐变至螺距p2，其中p1=1.71mm，p2=1.85mm，输入调制段总长为182.5mm，p1段螺距对应长度为68mm，p2段螺距对应长度为73.5mm，渐变段长为41mm。

在输出群聚段，包含螺距p3、螺距p4、螺距p5，其中p3=1.99mm，p4=1.88mm，p5=2.06mm，其中p3第一段螺距对应长度为104.5mm，第二段为5mm，p4段螺距第一段对应长度为20mm，第二段为13mm，p5段螺距对应长度为63mm。

在输出同步段，包含螺距p5、螺距p6、螺距p7，其中p6=1.85mm，p7=1.68mm，两个渐变段长度分别为12.9mm、18mm。

在输出能量交换段，包含螺距p7、螺距p8，其中p7=1.68mm，p8=2.1mm，两个螺距对应长度分别为20mm、2.1mm。

利用MTSS软件通过本发明慢波电路设计方法得到各个参量的计算结果如图4-图10所示。

综上，采用本发明慢波电路设计方法，通过新型慢波电路渐变、跳变、差异调制组合结构及设计方法设计得到的输出功率大于600W，电子效率大于50%，二次谐波在-30dB以下，群时延波动在0.8ns以内，饱和点相移小于40°，三阶交调在输入回退3dB时大于10.5dB等电性能指标的慢波电路。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。