大功率毫米波行波管AM/PM转换特性大信号解析理论的研究

毫米波行波管是未来通信发展的重要方向,由于AM/PM转换是影响毫米波行波管通信的重要非线性特性指标,因此AM/PM转换的研究对实现毫米波行波管线性化具有重要意义．本文基于相位展开的毫米波行波管欧拉大信号注波互作用理论模型,忽略高于二阶的非线性项,建立简化的欧拉大信号注波互作用理论模型．采用逐次逼近法推导其解析解,建立二阶逼近的欧拉大信号解析理论模型．利用欧拉大信号解析理论模型推导AM/PM转换的解析解,并发现AM/PM转换的产生与电子相位直流分量的激励成正比．应用建立的欧拉大信号解析理论和AM/PM转换解析模型对一支Q波段毫米波行波管进行大信号分析,并与拉格朗日理论模型以及传统的欧拉非线性理论模型进行对比．结果表明：欧拉大信号解析解的功率、增益和相移以及AM/PM转换与拉格朗日理论在线性区和中度互作用区十分吻合,饱和增益最大误差小于8.5%．同时,相较于传统的欧拉非线性模型,欧拉大信号解析解对非线性区增益和相移非线性特性的描述更具优势,即不但具有更高的精度,而且表现出传统欧拉非线性模型无法描述的增益压缩和相位失真现象．仿真结果验证了欧拉大信号解析解和AM/PM转换解析模型在线性区到中度互作用区的正确性和有效性．该AM/PM转换解析模型为后续研究毫米波行波管AM/PM转换非线性特性的物理机制与抑制方法奠定了基础．     

耦合腔行波管高频结构优化研究

以Curnow等效电路为依据,基于基尔霍夫电压和电流定理,获得了通用Curnow等效电路模型的色散、总阻抗的计算方法;从设计角度出发,根据色散和总阻抗计算方法,以实际结构为例,探讨了在保证整个工作带宽内,器件的工作频率和相速基本不变的情况下,腔体结构参数变化对总阻抗的影响,并以此为依据,对原有结构参数进行了优化,从而提出了一种可用于耦合腔行波管高频结构优化的方法。     

一种宽带大功率同轴窗研究

针对半波长同轴窗与同轴陶瓷行波窗存在的带宽窄、功率容量低的局限,本文提出了一种宽带大功率同轴窗结构,并给出了其设计原理。利用HFSS与CST Microwave Studio优化设计了L波段宽带大功率同轴窗,并与半波长同轴窗与陶瓷行波同轴窗进行了性能对比分析。模拟结果表明,宽带大功率同轴窗相比半波长同轴窗与陶瓷行波同轴窗具有更宽的带宽与更高的功率容量。优化设计的L波段宽带大功率同轴窗,其-30 dB带宽约为行波同轴窗的2.5倍,窗片区域的电场与行波同轴窗相当,为半波长同轴窗的一半以下。匹配膜片附近的电场幅度降低至行波同轴窗的75%。CST仿真显示,膜片与间隙的尺寸与位置对宽带大功率同轴窗的带宽影响明显,而对电场分布的影响较弱,因而可以通过调整膜片与间隙获得宽带宽与高功率容量。同时,电场强度轴向分布随频率变化不大。宽带大功率同轴窗在整个宽频带内具有高功率容量。     

休斯型耦合腔慢波结构正向设计初步研究

针对高效率耦合腔行波管提出一种正向设计的初步方法,可根据设计指标对其慢波结构进行快速的定量设计.其设计思想是在满足带宽内的注波互作用同步条件的基础上,尽可能提高总阻抗.为此提出“带宽相速差之比”参量来描述带宽与同步的关系,并以此参量和Curnow等效电路模型分析了休斯型耦合腔慢波结构的各个参量变化对带宽和总阻抗的影响情况,从而建立慢波结构的正向设计过程;使用这种设计方法,针对给定的Ka波段的耦合腔行波管参数指标进行快速设计,设计结果基本满足指标要求.     

多注集成阵列梳齿型行波管模拟与冷测研究

多电子注集成实现微波放大是毫米波行波管获得大功率微波的一种实用化途径,研究了一种多注集成阵列梳齿型慢波结构（MCW）。该慢波结构具有天然的电子注通道,同时耦合阻抗明显高于单注的梳齿型慢波结构（DCW）。为了验证该特性,使用Ka波段三注集成阵列梳齿型互作用回路进行了仿真和实验研究。互作用电路的材料选取高电导率无氧铜,通过CNC铣削的工艺进行加工。冷测实验发现仿真和测试的结果具有很好的一致性,且在32~39 GHz的带宽内,S₁₁小于-15 dB。在仿真软件CST PIC工作室中,50个周期的慢波结构与三个电子注（每个电子注的电压为12.9kV,电流为67mA）进行注波互作用模拟仿真。仿真表明,MCW在32~36 GHz的带宽内比DCW具有更高的输出功率,增益和电子效率。该器件的最大输出功率约为132.8 W,相应的电子效率为5.12％,增益为41.2 dB,大于DCW的1.2%和25 dB。MCW行波管的高功率和高效率特性,使其在基于点对多点传输的毫米波无线系统中具有潜在的应用价值。     

微波管CAD技术进展

传统的经验设计方法很难综合性地进一步提高微波管的功率、带宽、增益、效率及非线性特性等性能,高精度的微波管CAD模拟软件是改进设计,提高性能的主要手段。该文综述了微波管CAD技术的国内外研究进展,介绍了微波管CAD软件的主要分类及代表性软件,特别是我国自主研发的“二维宽带大功率行波管CAD集成环境”软件系统及“三维微波管模拟器套装”。展望了微波管CAD技术的发展前景,对我国自主开发微波管CAD软件提出了一些建议。     

螺旋线行波管中场的数值分析

该文对螺旋线行波管中的场进行了数值分析。研究表明数值求解时主从边界条件的位置决定场传播的方向,螺旋线旋转方向决定场的旋转变化方向。螺旋线外各类夹持杆和翼片对螺旋线内部场分布影响很小,场基本随贝塞尔函数分布,但耦合阻抗变化较大,这主要是由于场受螺旋线外结构影响而影响功率分配。同时,对场的各次空间谐波的研究,特别是零次和负一次空间谐波,有利于准确地求解各次空间谐波的耦合阻抗,对提高螺旋线行波管放大器和返波振荡的大信号注波互作用计算的准确性有重要的意义。     

地热盖层中井温梯度与地温梯度的关系及应用

在曲阜市地热地质普查中，发现井温梯度与地温梯度的关系，从理论与实际勘探工作中充分说明和验证了地热盖层地温与井温梯度差的客观存在规律。井温梯度同比于地温梯度，井温梯度与地温梯度存在一固定差值，地温梯度与井温梯度之差为2．6℃/100m。     

回旋速调管注波互作用理论的发展及评述

回旋速调管是一类具有重要应用前景的高功率、高效率和高增益相干毫米波源.本文简要介绍了回旋速调管的结构和工作原理,重点评述了回旋速调管注波互作用理论的发展状况和趋势,指出了发展中存在的一些问题,并提出了自己的建议,希望能对中国回旋速调管的发展起到一定的推动作用.     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的优化设计与分析

设计了一支Ka波段二次谐波回旋速调管放大器,并利用基于广义电报方程的时域自洽非线性理论模型,对设计的回旋速调管进行了数值模拟.详细分析了工作电流、横纵速度比和磁场等参数对放大器输出功率、增益和效率的影响,得到了最佳的工作参数.模拟结果表明,在电子注电压70kV,电流15 A,磁场0.675 T附近,可以获得大于250 kW的输出功率,近26％的效率和440 MHz的带宽.