宽带行波管高频结构和互作用区的设计和实现

宽带行波管高频结构和互作用区的设计和实现 宽带行波管高频结构和互作用区的设计和 实现 ? 研究与设计? 宽带行波管高频结构和互作用区的设计和实现 刘雪梅,张祖泽.,常建庆.,何浩,杨中海 (1.电子科技大学大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室,四川成都 610054; 2.成都国光电气股份有限公司,四川成都610051) DesignandRealizationofHighFrequencyStructureandInteraction RegionofBroadBandTravelingWaveTubes LIUXue—mei,ZHANGZu—ze,CHANGJian—qing,HEHao,YANGZhong—hai (1.VacuumElectronicsNationalLaboratory,UESTofChina,Chengdu610054,China; 2.ChengduGuoguangElectricCo.,Ltd,Chengdu610051,China) Abstract:Computer— aideddesignisveryimportantforthedesignoftravelingwavetubes.Dispersion, interactionimpedanceandattenuationoftheslowwavestructureoftravelingwavetubesarecalculatedby highfrequencycircuitsimulationmoduleofmicrowavetubesimulatorsuite(MTSS),andthen,theoutput powerofthetravelingwavetubearesimulatedbyitsbeamwaveinteractionsimulatormodule.Simulations arecomparedwiththepracticalmeasurementdataofsampletubesandtheresultsvalidatethereliabilityof theMicrowaveTubeSimulationSuitesoftware. Keywords:MTSS,Dispersioncharacteristics,Interactionimpedance,Attenuation 摘要:计算机辅助设计对行波管的设计非常重要.本文首先利用微波管模拟器套件 (MTSS)软件的高频电路模拟器模块 计算得到行波管慢波结构的色散,耦合阻抗,衰减常数高频参数,然后运用其注波 互作用模拟器模块仿真得到行波管输出功 率,最后将仿真结果与样管实测功率进行比较,从而验证了MTSS软件的可靠性. 关键词:微波管模拟器套件;色散特性;耦合阻抗;衰减常数 中图分类号:TN124文献标识码:A文章编号1002--8935(20lo)03—0o15—04 行波管由于具备宽频带,高增益,低噪声等优 点,在当前国防领域得到广泛应用.在宽频带行波 管相关研制中螺旋线结构成为首选的慢波结构.本文的高频结构也正是建立在螺旋线行波管慢波系统 基础上. 螺旋线行波管高频结构一般由螺旋线,夹持杆 及金属外壳组成.夹持杆又分为矩形夹持杆,品形 夹持杆或T形夹持杆等,采用ALO,BN,BeO或金 刚石作为其材料口].但以往的研究和分析都是基 于夹持条,即夹持杆以一个整体的形式(多为3根) 紧贴在螺旋线外面上,而本文设计的高频结构中, 夹持杆是采用分离夹持块结构,即夹持块以矩形颗 粒形式附在螺旋线外部,提高了系统的耦合阻抗,展 平了色散曲线,使宽带行波管的功率和增益都得到 提高,满足了实际需求. 行波管研制周期长,成本大,成功地研制出一只 管子需要耗费大量的人力和物力.用计算机辅助设 计能够最低限度地降低研制费用,缩短研制周期. 能够进行三维实体建模,三维模拟计算和三维后处 理显示的微波管模拟器套件(MTSS)软件是我国自 主研发的用于微波管模拟和设计的软件,作者运用 其高频电路模拟器(HFCS)模块对高频结构建模并 计算其色散,耦合阻抗,衰减常数参数,运用注波互 作用模拟器(BWIS)模块仿真计算行波管各频点的 输出功率,并将模拟结果与成都国光电气股份有限 公司的样管实测功率做比较,验证了软件的可靠性, 对实际制管起到了一定的指导作用. 1基础理论 高频慢波结构是行波管的核心部件,主要进行注 2010-03 波互作用,实现能量交换,直接决定了行波管的性能, 其主要特性参数为色散特性,耦合阻抗和衰减常数. 1.1色散特性 色散特性是指慢波结构中行波纵向传播的相速 和频率_厂的对应关系.若为一个结构周期内的 基波相移,. 厂为谐振频率的最小本征值,为相位常 数,L为螺距.由一及一2~:f/B可得 :== 2不厂 1.2耦合阻抗 耦合阻抗是一个高频参数基本量,表征轴上纵 向高频电场与电子注进行相互作用的程度].耦 合阻抗值越高,说明慢波系统与电子注之间的能量 交换越多,从而使行波管的增益和效率都更大,所以 行波管的研制者才会想尽可能的提高高频系统 的耦合阻抗. 高频结构基波耦合阻抗定义为: K.一(2) 式中,E加为基波的纵向电场幅值,w.为系统单位 长度总的储能,为群速. 1.3衰减常数 衰减常数定义为: 图1高频结构平面图 2.2高频特性参数 一一 乒(3)2尸2… 式中P为单位长度内系统的损耗功率,P为系统 的平均功率流,P为一个周期内系统的损耗功率, W为一个周期内系统的电磁平均储能. 2慢波结构建模与高频特性参数 2.1慢波结构建模 本文所涉及行波管的高频结构分为输入段和输 出段两部分,由螺旋线,电镀片,夹持块,过渡条及金 属管壳组成.输入段和输出段之间仅在螺距和管壳 材料上有差异,输入段管壳材料为镍铜合金而输出 段管壳材料为铜.为减小反射,输入段和输出段之 间有一个3mm的切断.为得到更大的耦合阻抗和 更平坦的色散曲线,选定独立的矩形颗粒夹持块. 电镀片是镀在夹持块两接触侧面的一层薄薄的膜, 能够在工艺上确保物质间更好的接触,而过渡条用 于夹持块与外壳间以支撑整个高频系统. HFCS高频电路模拟器基于三维矢量有限元 法,利用它对高频结构建模所得高频结构的平面图 及立体图分别如图1和图2所示.由系统自动所得 的三维计算模型如图3所示. 图2高频结构立体图图3三维计算模型 所谓冷特性是指在没有电子注的情况下,螺旋 慢波系统的高频特性[7].而热特性是指电子注与 电磁波发生注波互作用后,管子的一些输出特性. 文中利用高频电路模拟器HFCS计算出高频结构 的高频参数,详细数据见表1和表2. 输入段和输出段的归一化相速,耦合阻抗及衰 减常数高频特性趋势分别如图4所示. 3仿真模拟 微波管模拟器套件MTSS是一套用于微波管 模拟和设计的软件工具,可以对微波管进行三维实 体建模,三维模拟计算和三维后处理显示.利用 MTSS,微波管设计师可以在计算机上对微波管进 田Q二 行全三维的虚拟设计,从而达到提高器件性能,减少 研制周期和费用的目的.同时,MTSS采用现代软 件工程学原理和可视化科学计算设计完成,可 以模拟微波管从电子发射,成型,聚焦,传输,能量交 换直到被收集的完整过程. 除HFCS和BWIS以外,MTSS还包括电子光 学模拟器(EOs),微波管设计环境(MTDE),聚焦系 统模拟器(FSS)和输入输出窗模拟器(WS)L1. BWIS包括一维,二维和三维3个求解器,可以 模拟仿真行波管的输出功率,增益及效率.文中主 要将仿真出的输出功率与国光电气股份有限公司几 只成品管的实测功率做了比较,模拟数据与几只管 子实测功率的比较如图5所示.图中样管1及样管4 对应7管子的实测功率,而样管2和样管3分别对 表1输入段高频参数 0.118: 0.116 0.114t 0.1l2- O.11O 0.108 O.106 1.52.5354.55.56.57.58.5 频--,~/GHz (a)色散特性 50 应4管和5管的实测功率. 表2输出段高频参数 1.52.53.5455.56.57.58.5 频-~ig./GHz (b)阻抗特性 图4输入,输出段的高频特性趋势 频率/GHz (a) /\..一一''.'.,-----I? 234567 频率/GHz (c) 频率/GHz (c)衰减特性 频率Hz fb) 23 图5模拟功率与实测功率比较 4567 频-Sig/GHz (d) 2 —— 0——— 1 —— 0 —— - ..— 0—. 3 —.... [].... 山/apl,籁她髅 ??舯m5O a,盛骣 翼日i 芝爵 乏爵 ,~/姗 芝瓣 由图可知,模拟数据与实测数据大体趋势相同, 但总体偏高,主要原因为:?BWIS衰减模型没有考 虑频率的因素.实际工作中,衰减模型的衰减值会 随频率的改变而改变,而用于该行波管模拟的 BWIS的衰减模型采取1500dB/m固定的衰减值, 这必然导致模拟值高于实测值;?BWIS没有考虑 衰减器的衰减值对色散特性的影响.色散特性是由 冷腔模型计算出的,而冷腔模型是在没有衰减的基 础上得出的,因此衰减值的存在导致集中衰减器所 在的互作用区的相速和电压不同步,从而使实际效 果低于模拟仿真结果;?BWIS没有考虑输入输出 反射的影响.驻波的存在会导致输出功率的下降, 而忽略反射的模拟必然比实测值偏高;?在宽带行 波管中,由于返波振荡的原因,导致某些频率点上功 率会下降,而MTSS目前还没有模拟这种情况,因 此也导致了模拟值高于实测值;?软件模拟是在理 想状态下进行的,对于宽带行波管来说,模拟值与实 测值偏离3dB,在宽带中较正常.而本文中模拟值 与实测值偏差最大的地方也不超过2.5dB,均在3 dB范围之内.?实际测量环境中,工艺,装配,测试 环境都存在很大误差,因此,对于宽频带,大功率输 出的管子来说,这样的模拟数据能够对于管子的设 计和研制起到一定的帮助,从而具有一定的实际意 义.模拟数据和实测数据的比较在一定程度上验证 了模拟软件MTSS的可靠性,同时指明了MTSS不 断改进和完善的方向. 4结论 本文利用电磁仿真软件MTSS的HFCS,对全 新的分离夹持块高频结构高频参数进行了计算,运 用BWlS计算了各个频点的输出功率,并将之与实 际样管的实测功率相比较,得出MTSS软件在模拟 仿真计算方面具有一定程度可靠性的结论,行波管 圜二 工作者可运用CAD技术来避免只凭进行改进 的盲目性. 参考文献 [13JungSS,SoukhovAV,JiaBF,eta1.PositivePhase- VelocityTaperingofBroadbandHelixTraveling—Wave TubesforEfficiencyEnhancement[J].ApplPhyLett, 2002,80(16):3000—3002. 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