采用考慮面電流分布的螺旋帶模型計(jì)算行波管的冷測(cè)參數(shù),基于三維場(chǎng)論模型,通過(guò)粒子模擬方法求解空間電荷場(chǎng)的數(shù)值解,開(kāi)發(fā)出專(zhuān)業(yè)的行波管高頻結(jié)構(gòu)互作用代碼,計(jì)算了一種動(dòng)態(tài)漸變技術(shù)(DVT) 的C 波段超高電子效率行波管,電子效率達(dá)到42% ,分析其調(diào)幅調(diào)幅(AM/AM) 和調(diào)幅調(diào)相(AM/PM) 的非線(xiàn)性特征,結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)結(jié)果具有很高的一致性,并給出了電子能譜結(jié)構(gòu)和降壓收集極分析圖,為多級(jí)降壓收集極的設(shè)計(jì)提供精確的三維電子軌跡和分析依據(jù)。

　　行波管的電子效率通常在30%以下,考慮到信號(hào)的非線(xiàn)性特征,行波管的實(shí)際電子效率在25%以下。近年來(lái),隨著對(duì)行波管互作用理論研究的深入及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合制管經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)化算法,行波管的電子效率和非線(xiàn)性指標(biāo)有了很大提高。最具代表性的是美國(guó)開(kāi)發(fā)的CHRISTINE互作用程序套件,使得行波管的綜合指標(biāo)得到很大提高,并成為了新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)程序。

　　本文基于三維場(chǎng)論模型,采用與CHRISTINE3類(lèi)似的等離子體粒子模擬算法計(jì)算空間電荷場(chǎng),開(kāi)發(fā)出半解析半粒子模擬的非線(xiàn)性互作用程序,研究了一種動(dòng)態(tài)漸變技術(shù)的C 波段行波管,進(jìn)一步深化了線(xiàn)性跳變和漸變的設(shè)計(jì)思想,控制電子的群聚在輸出端達(dá)到理想的群聚狀態(tài),并且采用正同步條件補(bǔ)償了由于負(fù)跳變引起的相位失真,飽和電子效率達(dá)到42% ,具有良好的非線(xiàn)性特征,與文獻(xiàn)報(bào)道具有很好的一致性,驗(yàn)證了程序的可靠性,并分析了互作用后的電子能譜結(jié)構(gòu),為多級(jí)降壓收集極提供關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

1、研究?jī)?nèi)容

1.1、冷測(cè)計(jì)算模型

　　采用Chebyshev 多項(xiàng)式計(jì)算螺旋線(xiàn)面電流,去除均勻面電流假設(shè),如圖1 中夾持桿向分層結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)復(fù)雜的推導(dǎo)得出色散關(guān)系

　　其中, J_ξl和J_ηl是Chebyshev 多項(xiàng)式的展開(kāi)系數(shù),M 為系數(shù)矩陣。

圖1 　螺旋帶模型的徑向等效與分層示意圖

　　第n 次空間諧波的耦合阻抗

　　其中, E¹_zn (r) 為第1 層中n 次空間諧波電場(chǎng)的縱向分量, Pr 為總功率流。在三維程序中需要考慮交流磁場(chǎng)對(duì)互作用的影響,第n 次空間諧波的耦合磁導(dǎo)納

　　其中, H¹_zn (1) 為第1 層中n 次空間諧波磁場(chǎng)的縱向分量, Pr 為總功率流。

　　的增益變化也能清晰的看出,在線(xiàn)性區(qū),小信號(hào)增益在38dB ,進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū),增益迅速下降。圖9 給出了調(diào)幅調(diào)相(AM/ PM) 的計(jì)算結(jié)果,從該圖中看出電場(chǎng)相位隨著輸入信號(hào)的變化,在10dBm 處,相移6. 8度,已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū),隨著輸出功率的增加,相移迅速增加,飽和功率處相移在56. 7 度。為了考慮信號(hào)的線(xiàn)性特征,減小相移對(duì)整機(jī)信號(hào)的影響,通常選取相移在40 度以下,輸出增益從飽和區(qū)下調(diào)3dBm左右。因此,在設(shè)計(jì)高效率通信行波管時(shí),為了兼顧整管的效率和線(xiàn)性度,高頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,這里給出的螺旋線(xiàn)的互作用的計(jì)算具有很好的參考價(jià)值。

圖9 　調(diào)幅調(diào)相(AM/ PM)　　圖10 　互作用后的電子能譜圖　　圖11 　多級(jí)降壓收集極收集能力分析圖

　　為提高行波管的總效率,采用多級(jí)降壓收集極回收互作用后的電子能量,其優(yōu)化設(shè)計(jì)依賴(lài)于互作用程序計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此,給出精確的注波互作用后的電子軌跡和能譜分布是多級(jí)降壓收集極設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)之一,圖10 是采用電壓電流形式互作用后電子的能量柱狀分布圖。為了更方便的將互作用后的電子能譜用于多級(jí)降壓收集極的設(shè)計(jì),收集極電壓與收集電流的關(guān)系采用如下計(jì)算形式

　　這里, It 為電子束電流, Ii 為粒子團(tuán)電流。圖11 中輸入15dBm ,輸出功率158W,相移29 度,飽和位置123mm ,增益37dB ,截獲電流為零,大部分的電子的能量減少,少部分電子的能量增加,電磁波得到放大。從圖中可看出一級(jí)降壓的極限降壓為1600V ,超過(guò)此電壓,收集極出現(xiàn)返流。

　　限于篇幅，文章第二、三章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。

4、結(jié)論

　　基于場(chǎng)論模型建立螺旋線(xiàn)行波管多頻三維非線(xiàn)性自洽方程,采用等離子體粒子模擬的方法研究行波管中的空間電荷場(chǎng),開(kāi)發(fā)出半解析半粒子模擬的互作用程序。計(jì)算了一種采用動(dòng)態(tài)漸變技術(shù)的超高電子效行波管,包括冷測(cè)參數(shù)及AM/AM 和AM/PM 非線(xiàn)性特征,并為多極降壓收集極的設(shè)計(jì)提供了分析圖和輸出互作用后的電子能譜。