中科院电子所空间行波管仿真设计软件IESTWT

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:郝保良

  基于三维大信号注波互作用模型开发了空间行波管高频系统仿真设计软件,针对无翼片加载的T 形杆、矩形杆、圆形杆和扇形杆夹持的螺旋线空间行波管,具有计算速度快、副特性预测精确的优点,已应用于多种管型的研制中。

  空间行波管是广泛应用于通信、侦察、导航卫星及载人航天、探月工程等微波链路的末级功率放大器,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为具有大功率、高效率、长寿命的特点,是航天工程的核心部件。国内相关单位经过两个五年的艰苦攻关,功率、效率得到了长足的进步,基本满足了用户的需求,而副特性指标距通信、导航和宽带高速数传的要求还有一定距离。针对空间行波管的特点,开发了“电子所行波管仿真设计软件IESTWT”,以实现快速、可靠的综合指标优化能力。

1、冷测模型

  行波管的慢波类型达到上百种,复杂的慢波系统需要精确的三维数值解。空间行波管带宽较窄,通常采用无翼片的简单夹持结构,理论解析模型具有快速优化的特点。

  解析螺旋带模型的难点在于夹持杆的等效方法和螺旋线的宽度和厚度的处理。利用夹持杆的几何学等效原理将分立夹持杆等效为分层的介质圆筒,并将螺旋带厚度考虑为一等厚真空层。第i 层的等效介电常数为:

中科院电子所空间行波管仿真设计软件IESTWT

  引入抛物线复数解非线性方程迭代算法,求得复传播常数kz,从而计算出色散曲线vp =ω/Re(kz) 。

2、大信号互作用模型

  由信号分析可知,任何连续的时域信号均可以通过傅里叶展式变换为一系列离散的频率信号的叠加。在螺旋线缓变慢波结构中,线路场可表示为:

中科院电子所空间行波管仿真设计软件IESTWT

图1 空间行波管冷测模型界面

4、副特性设计实例

  该软件应用于1 ~ 40 GHz 十多种空间行波管的设计和参考设计,高频系统具有计算速度快、副特性预测精确的优点,有效缩短了制管周期和成本。表1 为Ka 波段50 W 空间行波管两种管型的研制结果,可见,优化后的行波管相移有65° ( 设计55° ~65°)下降为40° ( 设计30° ~ 38°),高速数传实验8PSK 误比特率降低两个数量级,达到系统要求。

表1 Ka 波段50 W 行波管副特性优化

Ka 波段50 W 行波管副特性优化

5、结论

  通过持续改进,该软件能够较精确的计算功率、电子效率、增益和相移特性,完成快速优化设计,初步实现了“一次性”制管成功。后续工作将在增益波动、群时延、噪声系数等副特性指标的设计中给出理论参考依据和设计方法。

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