一种ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法
技术领域
1.本发明属于空间行波管技术领域，更具体地说是一种采用小信号同步参量b值指导螺距组合的ka波段宽带空间行波管，实现优化增益波动指标的设计方法。
背景技术：2.行波管作为微波信号放大器，其中空间行波管主要应用在国内外的各类应用卫星的微波放大器中；随着通信卫星功能多样化发展，对空间行波管的带宽提出了更高的需求，同时对增益波动、整管效率也提出了更高的要求，因此迫切需要宽带高效率低增益波动空间行波管的研制；
3.目前空间行波管使用过程中必须满足宽带情况下的输出功率、效率、增益的要求，还需具备较小的增益波动、相移等非线性参量，同时卫星系统要求在轨应用的空间行波管要满足≥15年寿命的要求，研制空间行波管需要满足苛刻的要求，但是这些因素叠加极大增加了研制的难度。
4.本发明介绍了一种ka频段宽带空间行波管低增益波动设计方法，其应用方向为通信卫星，其中样管实测输出功率大于100w，带宽2.4ghz，频带内总效率大于63％，带内增益54db以上，带内饱和增益波动实现小于0.45db，小信号增益波动小于1.53db，实现了大带宽下高效率下的低增益波动，以保证通信卫星信号质量。
技术实现要素：5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，以解决现在研制空间行波管需要满足苛刻的要求，但是这些因素叠加极大增加了研制的难度的问题。
6.本发明ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：
7.一种ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，所述ka波段宽带空间行波管基于理论分析和cad仿真设计，以此实现增益波动指标的优化，所述ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法包括以下步骤:
8.s1：首先采用螺距和螺旋线直径双渐变的dvt技术实现高电子效率和低电子注脉动；
9.s2：采用小信号同步参量b值指导螺距组合设计的方法，以此优化增益波动指标；
10.s3：通过在螺旋线的输入末端和输出末端采用大跳变匹配螺距组合实现与输能窗的阻抗匹配，降低带内冷注波，实现增益波动指标的进一步优化。
11.优选的，步骤s1中，所述螺旋线为输入输出段两端的直径大，中间部分小。
12.优选的，所述螺旋线最小外径，且位于切断处为0.86mm，锥度θ1＝θ2＝7
′
32
″
；
13.所述输入端螺距为p1、p2、p3、p4，其中p1＝0.8mm，p2＝0.5mm，为输入大跳变段，各1圈螺距，长度分别为0.8mm、0.5mm，p3＝0.39mm，p4＝0.35mm，长度为52mm；
14.所述输出段螺距为p5至p11，其中p10＝0.4mm，p11＝0.6mm，为输出大跳变段，各1圈螺距，长度分别为0.4mm、0.6mm，p5＝0.356mm，p6＝0.41mm，之间长度为31.2mm，p7＝0.39mm，之间长度为11.2mm，p8＝0.352mm，之间长度为4mm，p9＝0.336mm，之间长度为2mm；
15.其中，螺距p1、p2及p10、p11为输入和输出大跳变段。
16.优选的，步骤s2中，所述小信号同步参量b值对增益波动指导设计的螺距段为p3至p9螺距段，对应的b值分别为1.69、0.606、0.335、-0.554、1.109、4.28、6.103，以此实现空间行波管的低饱和和小信号增益波动。
17.优选的，所述小信号同步参量b值的定义为：
[0018][0019]
其中，u0为直流速度，v
p
为冷相速，c为增益参量；
[0020][0021]
其中，i0为直流电流，v0为直流电压，kc为耦合阻抗；
[0022]
其中，高频电路本身的设计决定了耦合阻抗大小，即确定了增益参量c，所述小信号同步参量b能够直接表示电子注与电磁波同步的关系。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0024]
1、本发明通过采用螺距和螺旋线直径双渐变的dvt技术实现了高电子效率和低电子注脉动，并且创新性采用小信号同步参量b值指导螺距组合设计的方法，得到了较低的饱和和小信号增益波动，同时，输入和输出螺旋线末端采用大跳变匹配螺距组合实现与输能窗的阻抗匹配，实现带内冷注波降低，进一步的实现增益波动指标的优化。
附图说明
[0025]
图1是本发明空间行波管设计方法流程图
[0026]
图2是本发明螺旋线直径渐变方式示意图；
[0027]
图3是本发明慢波电路相速跳变方式示意图；
[0028]
图4是本发明mtss中慢波电路相速跳变方式示意图；
[0029]
图5是本发明mtss中b值变化趋势示意图；
[0030]
图6是本发明慢波系统结构示意图；
[0031]
图7是本发明改进前饱和增益波动仿真结果(0.37db)示意图；
[0032]
图8是本发明改进前小信号增益波动仿真结果(1.87db)示意图；
[0033]
图9是本发明改进后饱和增益波动仿真结果(0.2db)示意图；
[0034]
图10是本发明改进后小信号增益波动仿真结果(1.23db)示意图；
[0035]
图11是本发明改进前饱和增益波动实测结果(0.6db)示意图；
[0036]
图12是本发明改进前小信号增益波动实测结果(2.1db)示意图；
[0037]
图13是本发明改进后饱和增益波动实测结果(0.45db)示意图；
[0038]
图14是本发明改进后小信号增益波动实测结果(1.53db)示意图。
[0039]
图中：
[0040]
1、中间段的输入高频；2、与输入高频对接的输出高频；3、输入高频上配合组装的输入输能系统；4、输出高频上配合组装的输出输能系统。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0042]
如图1至图14所示：
[0043]
本发明提供一种ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，所述ka波段宽带空间行波管基于理论分析和cad仿真设计，以此实现增益波动指标的优化；
[0044]
通过选取高频参数时尽量兼顾高耦合阻抗选取带内色散较平坦的参数组合，在高频结构确定后，注波互作用设计中相速跳变方式和螺旋线与输能窗的匹配是影响增益波动指标大小的主要因素。一方面，通过采用螺距和螺旋线直径双渐变的dvt技术实现高电子效率和低电子注脉动，并且创新性采用小信号同步参量b值指导螺距组合设计的方法，从而实现增益波动指标的优化；另一方面，在螺旋线的输入末端和输出末端采用大跳变匹配螺距组合实现与输能窗的阻抗匹配，以此降低带内冷注波，进一步实现增益波动指标的优化。
[0045]
为进一步说明上述ka波段宽带空间行波管增益波动指标的优化方案，ka波段宽带空间行波管设计方法具体步骤如下:
[0046]
第一步：首先采用螺距和螺旋线直径双渐变的dvt技术实现高电子效率和低电子注脉动；具体地，既改变螺旋线螺距又改变直径，螺旋线为输入输出段两端的直径大，中间部分小，使电子注一直处于动态相速渐变的状态下以实现电子注与波实现更充分的互作用，在提高电子效率的同时还可以有效抑制返波振荡；
[0047]
如图2所示，螺旋线具体参数为，螺旋线最小外径，且位于切断处为0.86mm，锥度θ1＝θ2＝7
′
32
″
；
[0048]
其中，慢波电路同步电压选取为6700v、总电流为60ma，且慢波电路的设计方法如图3所示，输入端螺距为p1、p2、p3、p4，其中p1＝0.8mm，p2＝0.5mm，为输入大跳变段，各1圈螺距，长度分别为0.8mm、0.5mm，p3＝0.39mm，p4＝0.35mm，长度为52mm；
[0049]
如图3所示，输出段螺距为p5至p11，其中p10＝0.4mm，p11＝0.6mm，为输出大跳变段，各1圈螺距，长度分别为0.4mm、0.6mm，p5＝0.356mm，p6＝0.41mm，之间长度为31.2mm，p7＝0.39mm，之间长度为11.2mm，p8＝0.352mm，之间长度为4mm，p9＝0.336mm，之间长度为2mm；
[0050]
并且螺距p1、p2及p10、p11为输入和输出大跳变段。同时慢波电路相速跳变方式在mtss中标注，并如图4所示。
[0051]
第二步：通过创新性采用小信号同步参量b值指导螺距组合设计的方法，以此优化增益波动指标；
[0052]
在行波理论中，小信号同步参量b值得定义为：
[0053][0054]
其中，u0为直流速度，v
p
为冷相速，c为增益参量；
[0055][0056]
其中，i0为直流电流，v0为直流电压，kc为耦合阻抗；
[0057]
其中，高频电路本身的设计决定了耦合阻抗大小，即确定了增益参量c；小信号同步参量b直接表示电子注与电磁波同步的关系，同时在本发明中也发现，该参量b的取值范围也影响增益波动的实现，所以本专利创新性的采用b值取值范围指导增益波动设计的方法，以此优化空间行波管的增益指标；
[0058]
如图3所示，小信号增益参量b值对增益波动指导设计的螺距段为p3至p9螺距段，对应的b值分别为1.69、0.606、0.335、-0.554、1.109、4.28、6.103，采用该b值组合可以实现低饱和和小信号增益波动，其中小信号同步参量b值在mtss中的变化趋势如图5所示；
[0059]
第三步：如图6所示，通过在螺旋线的输入末端和输出末端采用大跳变匹配螺距组合实现与输能窗的阻抗匹配，以此降低带内冷注波，实现增益波动指标的进一步优化。
[0060]
具体地，利用hfss软件对输入和输出输能系统进行冷驻波仿真，在采用两圈大跳变螺距前，输入输出冷注波在1.1-1.5之间，采用两圈大跳变螺距后，输入输出冷注波在1.1-1.3之间，频带内冷注波差值由0.4减小到0.2。将冷驻波优化结果加载至mtss软件中，结合引入小信号同步参量b值的前后过程，观察ka波段宽带空间行波管的增益波动趋势。
[0061]
(1)在引入小信号同步参量b值前，饱和增益波动仿真值如图7所示，小信号增益波动仿真值如图8所示，分别为0.37db、1.87db；
[0062]
(2)在引入小信号同步参量b值后，饱和增益波动仿真值如图9所示，小信号增益波动仿真值如图10所示，分别为0.2db、1.23db；
[0063]
为充分说明小信号同步参量b值引入到ka波段宽带空间行波管设计中，通过采用小信号同步参量b值指导螺距组合设计的方法，能够实现增益波动指标的优化；
[0064]
通过进行实际制管进行进一步测试，引入小信号同步参量b值前，ka波段宽带空间行波管中的饱和增益波动实测结果如图11所示，小信号增益波动实测结果如图12所示，分别为0.6db、2.1db；
[0065]
引入小信号同步参量b值后，ka波段宽带空间行波管中的饱和增益波动实测结果如图13所示，小信号增益波动实测结果如图14所示，分别为0.45db、1.53db；
[0066]
综上所述，采用本发明慢波电路设计方法，通过双跳变dvt技术的应用及小信号增益参量的指导设计，有效的对增益波动的优化设计起到了很好的指导设计的作用，且在输能匹配上采用螺距大跳变段使频带内冷注波差值由0.4减小到0.2，以进一步得到较低的增益波动，设计上得到ka波段，带宽2.4ghz，输出功率大于100w，饱和增益波动仿真结果由0.37db降低到0.2db实测结果由0.6db降低到0.45db，小信号增益波动仿真结果由1.87db降低到1.23db，实测结果由2.1db降低到1.53db，通过引入小信号同步参量b值指导螺距组合设计，即可实现ka波段宽带空间行波管增益指标优化，从而降低了ka波段宽带空间行波管的研制难度。
[0067]
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。
技术特征：1.一种ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，其特征在于：所述ka波段宽带空间行波管基于理论分析和cad仿真设计，以此实现增益波动指标的优化，所述ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法包括以下步骤:s1：首先采用螺距和螺旋线直径双渐变的dvt技术实现高电子效率和低电子注脉动；s2：采用小信号同步参量b值指导螺距组合设计的方法，以此优化增益波动指标；s3：通过在螺旋线的输入末端和输出末端采用大跳变匹配螺距组合实现与输能窗的阻抗匹配，降低带内冷注波，实现增益波动指标的进一步优化。2.如权利要求1所述ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，其特征在于：步骤s1中，所述螺旋线为输入输出段两端的直径大，中间部分小。3.如权利要求2所述ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，其特征在于：所述螺旋线最小外径，且位于切断处为0.86mm，锥度θ1＝θ2＝7
′
32
″
；所述输入端螺距为p1、p2、p3、p4，其中p1＝0.8mm，p2＝0.5mm，为输入大跳变段，各1圈螺距，长度分别为0.8mm、0.5mm，p3＝0.39mm，p4＝0.35mm，长度为52mm；所述输出段螺距为p5至p11，其中p10＝0.4mm，p11＝0.6mm，为输出大跳变段，各1圈螺距，长度分别为0.4mm、0.6mm，p5＝0.356mm，p6＝0.41mm，之间长度为31.2mm，p7＝0.39mm，之间长度为11.2mm，p8＝0.352mm，之间长度为4mm，p9＝0.336mm，之间长度为2mm。4.如权利要求1所述ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，其特征在于：步骤s2中，所述小信号同步参量b值对增益波动指导设计的螺距段为p3至p9螺距段，对应的b值分别为1.69、0.606、0.335、-0.554、1.109、4.28、6.103，以此实现空间行波管的低饱和和小信号增益波动。5.如权利要求4所述ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，其特征在于：所述小信号同步参量b值的定义为：其中，u0为直流速度，v
p
为冷相速，c为增益参量；其中，i0为直流电流，v0为直流电压，k
c
为耦合阻抗；其中，高频电路本身的设计决定了耦合阻抗大小，即确定了增益参量c，所述小信号同步参量b能够直接表示电子注与电磁波同步的关系。6.如权利要求1所述ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，其特征在于：步骤s3中，利用hfss软件对输入和输出输能系统进行冷驻波仿真，在采用两圈大跳变螺距前，输入输出冷注波在1.1-1.5之间，采用两圈大跳变螺距后，输入输出冷注波在1.1-1.3之间，频带内冷注波差值由0.4减小到0.2。将冷驻波优化结果加载至mtss软件中，结合引入小信号同步参量b值的前后过程，观察ka波段宽带空间行波管的增益波动趋势。
技术总结本发明提供一种Ka波段宽带空间行波管低增益波动设计方法，所述所述Ka波段宽带空间行波管基于理论分析和CAD仿真设计，以此实现增益波动指标的优化；通过采用螺距和螺旋线直径双渐变的DVT技术实现了高电子效率和低电子注脉动，并且创新性采用小信号同步参量b值指导螺距组合设计的方法，得到了较低的饱和和小信号增益波动，同时，输入和输出螺旋线末端采用大跳变匹配螺距组合实现与输能窗的阻抗匹配，实现带内冷注波降低，进一步的实现增益波动指标的优化。标的优化。标的优化。
技术研发人员：张晓冉 王源 刘逸群 成红霞 宋泽淳 陈平 韦伟 汪其远 俞婷婷
受保护的技术使用者：南京三乐集团有限公司
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
