动态渐变技术螺旋线行波管三维非线性互作用的计算

　　采用考虑面电流分布的螺旋带模型计算行波管的冷测参数,基于三维场论模型,通过粒子模拟方法求解空间电荷场的数值解,开发出专业的行波管高频结构互作用代码,计算了一种动态渐变技术(DVT) 的C 波段超高电子效率行波管,电子效率达到42% ,分析其调幅调幅(AM/AM) 和调幅调相(AM/PM) 的非线性特征,结果与文献报导结果具有很高的一致性,并给出了电子能谱结构和降压收集极分析图,为多级降压收集极的设计提供精确的三维电子轨迹和分析依据。

　　行波管的电子效率通常在30%以下,考虑到信号的非线性特征,行波管的实际电子效率在25%以下。近年来,随着对行波管互作用理论研究的深入及计算机技术的发展,结合制管经验和优化算法,行波管的电子效率和非线性指标有了很大提高。最具代表性的是美国开发的CHRISTINE互作用程序套件,使得行波管的综合指标得到很大提高,并成为了新的设计标准程序。

　　本文基于三维场论模型,采用与CHRISTINE3类似的等离子体粒子模拟算法计算空间电荷场,开发出半解析半粒子模拟的非线性互作用程序,研究了一种动态渐变技术的C 波段行波管,进一步深化了线性跳变和渐变的设计思想,控制电子的群聚在输出端达到理想的群聚状态,并且采用正同步条件补偿了由于负跳变引起的相位失真,饱和电子效率达到42% ,具有良好的非线性特征,与文献报道具有很好的一致性,验证了程序的可靠性,并分析了互作用后的电子能谱结构,为多级降压收集极提供关键设计参数。

1、研究内容

1.1、冷测计算模型

　　采用Chebyshev 多项式计算螺旋线面电流,去除均匀面电流假设,如图1 中夹持杆向分层结构,经过复杂的推导得出色散关系

　　其中, J_ξl和J_ηl是Chebyshev 多项式的展开系数,M 为系数矩阵。

图1 　螺旋带模型的径向等效与分层示意图

　　第n 次空间谐波的耦合阻抗

　　其中, E¹_zn (r) 为第1 层中n 次空间谐波电场的纵向分量, Pr 为总功率流。在三维程序中需要考虑交流磁场对互作用的影响,第n 次空间谐波的耦合磁导纳

　　其中, H¹_zn (1) 为第1 层中n 次空间谐波磁场的纵向分量, Pr 为总功率流。

　　的增益变化也能清晰的看出,在线性区,小信号增益在38dB ,进入非线性区,增益迅速下降。图9 给出了调幅调相(AM/ PM) 的计算结果,从该图中看出电场相位随着输入信号的变化,在10dBm 处,相移6. 8度,已经开始进入非线性区,随着输出功率的增加,相移迅速增加,饱和功率处相移在56. 7 度。为了考虑信号的线性特征,减小相移对整机信号的影响,通常选取相移在40 度以下,输出增益从饱和区下调3dBm左右。因此,在设计高效率通信行波管时,为了兼顾整管的效率和线性度,高频系统的设计至关重要,这里给出的螺旋线的互作用的计算具有很好的参考价值。

图9 　调幅调相(AM/ PM)　　图10 　互作用后的电子能谱图　　图11 　多级降压收集极收集能力分析图

　　为提高行波管的总效率,采用多级降压收集极回收互作用后的电子能量,其优化设计依赖于互作用程序计算的准确性。因此,给出精确的注波互作用后的电子轨迹和能谱分布是多级降压收集极设计的重要研究内容和关键技术之一,图10 是采用电压电流形式互作用后电子的能量柱状分布图。为了更方便的将互作用后的电子能谱用于多级降压收集极的设计,收集极电压与收集电流的关系采用如下计算形式

　　这里, It 为电子束电流, Ii 为粒子团电流。图11 中输入15dBm ,输出功率158W,相移29 度,饱和位置123mm ,增益37dB ,截获电流为零,大部分的电子的能量减少,少部分电子的能量增加,电磁波得到放大。从图中可看出一级降压的极限降压为1600V ,超过此电压,收集极出现返流。

　　限于篇幅，文章第二、三章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。

4、结论

　　基于场论模型建立螺旋线行波管多频三维非线性自洽方程,采用等离子体粒子模拟的方法研究行波管中的空间电荷场,开发出半解析半粒子模拟的互作用程序。计算了一种采用动态渐变技术的超高电子效行波管,包括冷测参数及AM/AM 和AM/PM 非线性特征,并为多极降压收集极的设计提供了分析图和输出互作用后的电子能谱。