一种用于超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超宽带行波管
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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 = 2 ηU 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vp和螺旋线内径a： v p = v 0 1 + QC 3 , γ a = ω 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，本专利技术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 = ( v H ′ - v L ′ ) f 0 f H - f L × 100 % ]]>其中，vH′和vL′分别为归一化相速的最大值和最小值，fH和fL分别为最高频点和最低频点值，f0为中心频率。本专利技术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，通过本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于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；即设计得所述用于超宽带螺旋线行波管的高频结构。

【技术特征摘要】
1.一种用于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；即设计得所述用于超宽带螺旋线行波管的高频结构。2.按权利要求1所述用于超宽带螺旋线行波管的高频结构设计方法，其特征在于，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 = 2 ηU 0 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，胡玉禄，胡权，朱小芳，李斌，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51