[发明专利]一种螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布结构及设计方法

说明书

技术领域

本发明属于螺旋线行波管技术领域，涉及一种螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布结构及设计方法，具体地说，涉及一种带凹槽的螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布结构及设计方法。

背景技术

在卫星通信，数据传输等空间应用领域中，通常采用螺旋线行波管实现射频信号的放大。螺旋线行波管通过输入射频信号形成的电磁场与电子注进行相互作用，将电子注的动能转换为电磁能，从而实现射频信号的放大。相比采用其他高频结构的行波管，螺旋线行波管具有宽频带、大功率等特点，因而在空间应用领域得到广泛应用。

在空间应用领域中，主要依靠太阳能、燃料电池等提供能量，能供给的能量非常有限。在这种情况下，将这些能量转化成电磁能量的螺旋线行波管的电子效率具有非常重要的意义。在特定的输出功率下，高的电子效率意味着低的直流能耗。因此，电子效率越高，有限能量能驱动的行波管数量越多，从而能够提供更多的信号传输通道。

围绕螺旋线行波管电子效率的提高，国内外学者开展了大量研究工作，提出了一些提高螺旋线行波管电子效率的建议。其中，采用动态相速渐变结构[1]提高螺旋线行波管的电子效率是一种有效方案。所谓的动态相速渐变结构(见图1与图2)是通过改变输出螺旋线的螺距分布使其按一定规律逐渐变小，从而使得沿螺旋线传播的电磁信号的相速逐渐变小，与失去能量而降低速度的电子注再次发生同步，最后达到提高电子效率的目的。但是，采用动态相速渐变结构在获得更高电子效率的同时，会导致输出信号的高次谐波分量增大。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，在提高螺旋线行波管电子效率的同时，有效抑制输出信号的二次谐波分量，从而提高行波管的线性特性。本发明在常规动态相速渐变结构的基础上，提出了一种螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布结构及设计方法。

其技术方案如下：

一种螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布结构，螺旋线分为输入螺旋线和输出螺旋线，输入螺旋线和输出螺旋线之间用切断分隔，切断两边为集中衰减器用来抑制电磁波反射，其中输入螺旋线长度为z1螺距为p0；输出螺旋线分为三段：第一段均匀螺旋段、渐变螺旋线段以及第二段均匀螺旋段，第一段均匀螺距段长度为z2螺距为p1；渐变螺距段长度为z3，其螺距值从p1均匀渐变至p2；第二段均匀螺旋段长度为z4螺距为p2；

在输出螺旋线的渐变螺距段z3前添加一段螺距凹槽，螺距凹槽主要由凹槽深度h、凹槽宽度L和凹槽距离渐变螺距段的距离d三个结构参数决定，形成带凹槽的动态相速渐变螺距分布结构。

进一步优选，输入螺旋线长度z1＝60mm，螺距p0＝0.682mm，输入螺旋线和输出螺旋线之间切断为3mm，并在切断两边分别加入长度为15mm的集中衰减器；第一段均匀螺旋段长度z2为52mm，其螺距p1为0.722mm；渐变螺旋线段长度z3为6mm，其螺距从p1＝0.722mm均匀渐变至p2＝0.662mm；第二段均匀螺旋段长度z4为21mm，其螺距p2＝0.662mm。

一种螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布结构的设计方法，包括以下步骤：

(1)确定螺距凹槽深度h

基波和高次谐波的场相对相位角会随螺距凹槽深度的增加而增加，选择凹槽深度h使得基波的场相对相位角接近0度，二次谐波的场相对相位角大于90度；

取均匀螺距段螺距p1的10％作为凹槽深度；在螺距凹槽区域内，基波的场相对相位角从-60度增加至-20度之0度之间，二次谐波的场相对相位角增加至90度与100度之间；

(2)确定螺距凹槽宽度L

对该X波段螺旋线行波管，螺距凹槽深度h为均匀螺距的10％-12％，螺距凹槽宽度L为4-6mm；

(3)确定螺距凹槽距螺距渐变段的距离d

对该X波段螺旋线行波管，螺距凹槽距螺距渐变段的距离d为2-3mm。

进一步优选，螺距凹槽深度为均匀段螺距的11.40％，螺距凹槽宽度为5mm，螺距凹槽距螺距渐变段的距离为2mm。

本发明的有益效果：

利用本发明提出的带凹槽的螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布结构可以在提高螺旋线行波管电子效率的同时，有效抑制输出信号的高次谐波分量，提高螺旋线行波管的性能。

附图说明

图1是常规的螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布示意图。

图2是采用常规动态相速渐变螺距分布结构的螺旋线行波管示意图。

图3是本发明提出的带凹槽螺旋线行波管动态相速渐变螺距分布示意图。