一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法
技术领域
1.本发明涉及行波管技术领域，具体为一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法。
背景技术：2.大功率耦合腔行波管具有大功率、高增益、高效率、散热效果好等特点，是地面炮位侦校雷达、机载火控雷达等装备中的核心器件，广泛应用于远程探测、目标特性成像等任务中，为雷达发射机微波信号末级功率放大作用，在现代化军事战争中发挥重大作用。
3.一般耦合腔行波管的工作带宽小于10％，但是现代雷达为了提高抗干扰能力、提高目标分辨率、提高雷达作用距离、降低雷达信号被截获概率，不断要求行波管展宽工作带宽，提高输出功率来提升雷达工作性能，因此我们对此做出改进，提出一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法。
技术实现要素：4.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
5.本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路，包括输入、输出段以及中间段，所述输入、输出段与中间段均包括腔体、通道、耦合槽和吸收小腔。
6.作为本发明的一种优选技术方案，所述输入、输出段中腔体的半径为8.5mm，其中腔体的高度和周期长度分别为5.6mm和17mm，所述通道内圆筒的内外半径分别为2.5mm和3.2mm，且缝隙距离为3.5mm，所述耦合槽的内外半径分别为3.5mm和8.5mm，且角度为101
°
，所述吸收小腔设置有两个，且半径为2.8mm，所述吸收小腔的圆心角度为39～219
°
，所述吸收小腔的圆心半径为11.65mm，宽度为4.2mm。
7.作为本发明的一种优选技术方案，所述中间段的腔体半径为8mm，且高度为5.3mm，所述腔体周期长度为16.4mm，所述通道内圆筒的内外半径分别为2.5mm和3.2mm，且缝隙距离为3.1mm，所述耦合槽的内外半径分别为3.7mm和8mm，且角度为98
°
，所述吸收小腔设置有两个，且半径为2.8mm，其中圆心半径为10.8mm，且圆心角度为39～219
°
，所述吸收小腔的宽度为4.4mm。
8.一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，包括以下步骤：
9.步骤一：确定慢波结构尺寸：利用电磁场理论计算方法结合相对论速度修正系数，计算出慢波结构尺寸，通过仿真优化设计，确定符合要求的色散特性；
10.步骤二：色散组合设计：采用色散组合设计拓展工作带宽；
11.步骤三：相速跳变设计：输出段末端采用相速跳变设计提高电子效率；
12.步骤四：吸收小腔设计：采用吸收小腔技术抑制上边带振荡，将吸收小腔与主腔相对位置调整到最佳，提高了行波管工作稳定性所述。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤一中，根据产品技术指标要求，利用工程计算得到初步的慢波结构尺寸，再由工程计算的结果，利用mtss模拟软件对交叉型耦合
槽、带吸收小腔的耦合腔行波管进行高频电路设计以及注波互作用计算，经过多次优化设计，最终确定慢波结构尺寸。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二中，采用色散组合设计主要为输入段与输出段的色散特性相同，与输入段色散特性相比，将中间段的冷带宽整体向上调整。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三中，为了提高电子效率，输出段末几个腔采用相速跳变设计，将输出段的末几个腔减少电周期长度，其余腔的电周期长度不变。
16.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤四中，吸收小腔的位置直接影响行波管工作稳定性，若吸收小腔位置离主腔较近，工作频率越高，越容易出现高频打火现象，导致实际工作频带变窄，若吸收小腔离主腔较远，吸收小腔与主腔耦合较弱，则无法吸收上边频的功率，导致上边频振荡，影响管子正常工作。
17.作为本发明的一种优选技术方案，通过多次样管实验验证，优化吸收小腔与主腔的相对位置尺寸，既抑制了上边带振荡，也保证了带内功率、效率不受明显的影响。
18.本发明的有益效果是：
19.1、该种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法，通过采用色散组合设计、输出末端相速跳变设计和吸收小腔设计，实现了宽频带、高电子效率、高输出功率的设计目标；
20.2、该种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法，采用吸收小腔技术抑制上边带振荡，同时选取吸收小腔与主腔相对位置的最佳尺寸，解决了吸收小腔内高频打火问题保证行波管稳定性，同时保证了带内功率不受明显的影响。
附图说明
21.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
22.图1中(a)、(b)、(c)是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的单腔结构及相关尺寸示意图；
23.图2是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的交叉型、带吸收小腔耦合腔链剖面图；
24.图3是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的交叉型、带吸收小腔耦合腔链模型及尺寸图；
25.图4是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的输入、输出段慢波电路图，其中，图4中(a)为色散曲线，图4中(b)为耦合阻抗图；
26.图5是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的中间段慢波电路图，其中，图5中(a)为色散曲线，图5中(b)为耦合阻抗图；
27.图6是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的f—po曲线图；
28.图7是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的f—g曲线图；
29.图8是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的f—ηe曲线图；
30.图9是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的输入段、中间
段和输出段相速跳变示意图；
31.图10是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的中间段与输入、输出色散曲线对比图；
32.图11是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的输出段腔体电周期长度跳变示意图；
33.图12是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的相速跳变前后电子效率对比图；
34.图13是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的吸收小腔与主腔位置关系示意图；
35.图14是本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法的吸收小腔中吸收小瓷外形尺寸示意图。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
37.实施例：如图1-3所示，本发明一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路，包括输入、输出段以及中间段，输入、输出段与中间段均包括腔体、通道、耦合槽和吸收小腔。
38.其中，输入、输出段中腔体的半径为8.5mm，其中腔体的高度和周期长度分别为5.6mm和17mm，通道内圆筒的内外半径分别为2.5mm和3.2mm，且缝隙距离为3.5mm，耦合槽的内外半径分别为3.5mm和8.5mm，且角度为101
°
，吸收小腔设置有两个，且半径为2.8mm，吸收小腔的圆心角度为39～219
°
，吸收小腔的圆心半径为11.65mm，宽度为4.2mm；尺寸如下表所示：
[0039][0040]
其中，中间段的腔体半径为8mm，且高度为5.3mm，腔体周期长度为16.4mm，通道内圆筒的内外半径分别为2.5mm和3.2mm，且缝隙距离为3.1mm，耦合槽的内外半径分别为3.7mm和8mm，且角度为98
°
，吸收小腔设置有两个，且半径为2.8mm，其中圆心半径为10.8mm，且圆心角度为39～219
°
，吸收小腔的宽度为4.4mm，尺寸如下表所示：
[0041][0042]
一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，包括以下步骤：
[0043]
步骤一：如图4-5所示，确定慢波结构尺寸：根据产品技术指标要求，利用工程计算得到初步的慢波结构尺寸，再由工程计算的结果，利用mtss模拟软件对交叉型耦合槽、带吸收小腔的耦合腔行波管进行高频电路设计以及注波互作用计算，经过多次优化设计，最终确定慢波结构尺寸；
[0044]
耦合槽角的角度大小决定了慢波电路的冷通带的宽度，目标产品的先进性是实现耦合腔行波管工作带宽1.5ghz，一般设计的冷通带约是工作带宽的2倍，选择合适的耦合槽角大小，使色散曲线的频率范围满足设计目标；
[0045]
单腔结构如图1所示，其中：
[0046]
g-漂移管间隙、r1-漂移管内半径、r2-漂移管外半径、r3-腔环内半径、t-腔片厚度、h-腔环厚度、r1-耦合槽内半径、r2-耦合槽外半径、θ-耦合槽槽角；
[0047]
通过软件仿真的色散特性、耦合阻抗等性能结果如图4、图5，其中，如图4所示，慢波电路输入段的下截止频率在8.2ghz，上截止频率在11ghz，冷带宽达到2.8ghz，冷带宽是工作带宽的1.87倍；
[0048]
下一步注波互作用计算，首先进行基本设置，设置注波互作用的频率范围、工作电压、工作电流、腔体个数、通道内半径、电子注填充比等参数，再分别进行高频设置、切断和衰减设置、磁场设置；
[0049]
如图6-8所示，从仿真的输出功率、增益、电子效率结果看，工作带宽1.5ghz内满足输出功率po≥120kw，增益在40db以上，电子效率大于16％，符合产品的指标要求。
[0050]
步骤二：如图9-10所示，色散组合设计：采用色散组合设计主要为输入段与输出段的色散特性相同，与输入段色散特性相比，将中间段的冷带宽整体向上调整；
[0051]
其中，为了解决边频工作点的功率不足的问题，采用色散组合的方式，可以同时兼顾到上、下边频的功率。如图9所示，输入段与输出段相速相同，与输入段、输出段相比，中间段相速增加量约10％；
[0052]
如图10所示，中间段下截止频率比输入、输出段的下截止频率高500mhz左右，中间段上截止频率比输入、输出段的高400mhz左右。
[0053]
步骤三：如图11-12所示，输出段末端相速跳变设计：为了提高电子效率，输出段末几个腔采用相速跳变设计，将输出段的末几个腔减少电周期长度，其余腔的电周期长度不变；
[0054]
通过注波互作用后，大部分电子的动能减少，尤其是输出段的末端，大部分电子处于高频场的加速区，需要吸收高频场能量，导致输出功率下降电子效率降低。为了提高电子效率，输出段末3个腔体采用相速跳变设计，将输出段的末3个腔体减少电周期长度，其余腔体的电周期长度不变，如假设均匀段腔体电周期长度为1，倒数第三个腔电周期减少9％，倒数第二个腔电周期减少10％，倒数第三个腔电周期减少13.4％，如图11所示，；
[0055]
其中，输出段末几个腔采用相速跳变设计后，如图12所示，8.3ghz～9.9ghz之间电子效率得到明显的提高。
[0056]
步骤四：如图13、14所示吸收小腔设计：采用吸收小腔技术抑制上边带振荡，由于吸收小腔的位置直接影响行波管工作稳定性，若吸收小腔位置离主腔较近，工作频率越高，越容易出现高频打火现象，导致实际工作频带变窄，若吸收小腔离主腔较远，吸收小腔与主腔耦合较弱，则无法吸收上边频的功率，导致上边频振荡，影响管子正常工作，通过多次样管实验验证，优化吸收小腔与主腔的相对位置尺寸，即调整图中d的尺寸，既抑制了上边带振荡，也保证了带内功率、效率不受明显的影响。
[0057]
其中：
[0058]
d—谐振腔直径；h—吸收小瓷高；r—吸收小腔半径；
[0059]
w—耦合槽宽；d—吸收小腔中心距；
[0060]
r—吸收小瓷半径；εr—吸收小瓷的相对介电常数。
[0061]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路，包括输入、输出段以及中间段，其特征在于，所述输入、输出段与中间段均包括腔体、通道、单耦合槽和两个吸收小腔。2.根据权利要求1所述的一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路，其特征在于，所述输入、输出段中腔体的半径为8.5mm，其中腔体的高度和周期长度分别为5.6mm和17mm，所述通道内圆筒的内外半径分别为2.5mm和3.2mm，且缝隙距离为3.5mm，所述耦合槽的内外半径分别为3.5mm和8.5mm，且角度为101
°
，所述吸收小腔设置有两个，且半径为2.8mm，所述吸收小腔的圆心角度为39/219
°
，所述吸收小腔的圆心半径为11.65mm，宽度为4.2mm。3.根据权利要求1所述的一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路，其特征在于，所述中间段的腔体半径为8mm，且高度为5.3mm，所述腔体周期长度为16.4mm，所述通道内圆筒的内外半径分别为2.5mm和3.2mm，且缝隙距离为3.1mm，所述耦合槽的内外半径分别为3.7mm和8mm，且角度为98
°
，所述吸收小腔设置有两个，且半径为2.8mm，其中圆心半径为10.8mm，且圆心角度为39/219
°
，所述吸收小腔的宽度为4.4mm。4.一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，应用于如权利要求1-3所述的x波段宽带大功率耦合腔慢波电路，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定慢波结构尺寸：利用电磁场理论计算方法结合相对论速度修正系数，计算出慢波结构尺寸，通过仿真优化设计，确定符合要求的色散特性；步骤二：色散组合设计：采用色散组合设计拓展工作带宽；步骤三：相速跳变设计：输出段末端采用相速跳变设计提高电子效率；步骤四：吸收小腔设计：采用吸收小腔技术抑制上边带振荡，将吸收小腔与主腔相对位置调整到最佳，提高了行波管工作稳定性。5.根据权利要求4所述的一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，根据产品技术指标要求，利用工程计算得到初步的慢波结构尺寸，再由工程计算的结果，利用mtss模拟软件对交叉型耦合槽、带吸收小腔的耦合腔行波管进行高频电路设计以及注波互作用计算，经过多次优化设计，最终确定慢波结构尺寸。6.根据权利要求4所述的一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，采用色散组合设计主要为输入段与输出段的色散特性相同，与输入段色散特性相比，将中间段的冷带宽整体向上调整。7.根据权利要求4所述的一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，其特征在于，所述步骤三中，为了提高电子效率，输出段末几个腔采用相速跳变设计，将输出段的末几个腔减少电周期长度，其余腔的电周期长度不变。8.根据权利要求4所述的一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，其特征在于，所述步骤四中，吸收小腔的位置直接影响行波管工作稳定性，若吸收小腔位置离主腔较近，工作频率越高，越容易出现高频打火现象，导致实际工作频带变窄，若吸收小腔离主腔较远，吸收小腔与主腔耦合较弱，则无法吸收上边频的功率，导致上边频振荡，影响管子正常工作。9.根据权利要求8所述的一种x波段宽带大功率耦合腔慢波电路的设计方法，其特征在于，采取通过多次样管实验验证，优化吸收小腔与主腔的相对位置尺寸。
技术总结本发明公开了一种X波段宽带大功率耦合腔慢波电路及其设计方法，包括输入、输出段以及中间段，所述输入、输出段与中间段均包括腔体、通道、单耦合槽和两个吸收小腔。该种X波段宽带大功率耦合腔慢波电路设计实现了工作带宽1.5GHz，脉冲输出功率120kW的技术指标，主要通过色散组合设计与末端相速跳变设计解决了边频功率不足的问题，通过采用吸收小腔技术抑制上边带振荡，同时选取吸收小腔与主腔相对位置的最佳尺寸，解决了吸收小腔内高频打火问题保证行波管稳定性，同时保证了带内功率不受明显的影响。的影响。的影响。
技术研发人员：刘斌 黄万超 季大习 王大明
受保护的技术使用者：南京三乐集团有限公司
技术研发日：2022.07.06
技术公布日：2022/11/1
