采用考慮面電流分布的螺旋帶模型計(jì)算行波管的冷測參數(shù),基于三維場論模型,通過粒子模擬方法求解空間電荷場的數(shù)值解,開發(fā)出專業(yè)的行波管高頻結(jié)構(gòu)互作用代碼,計(jì)算了一種動態(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,考慮到信號的非線性特征,行波管的實(shí)際電子效率在25%以下。近年來,隨著對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性指標(biāo)有了很大提高。最具代表性的是美國開發(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。

　　本文基于三維場論模型,采用與CHRISTINE3類似的等離子體粒子模擬算法計(jì)算空間電荷場,開發(fā)出半解析半粒子模擬的非線性互作用程序,研究了一種動態(tài)漸變技術(shù)的C 波段行波管,進(jìn)一步深化了線性跳變和漸變的設(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),為多級降壓收集極提供關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

1、研究內(nèi)容

1.1、冷測計(jì)算模型

　　采用Chebyshev 多項(xiàng)式計(jì)算螺旋線面電流,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對互作用的影響,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,在線性區(qū),小信號增益在38dB ,進(jìn)入非線性區(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,從該圖中看出電場相位隨著輸入信號的變化,在10dBm 處,相移6. 8度,已經(jīng)開始進(jìn)入非線性區(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。為了考慮信號的線性特征,減小相移對整機(jī)信號的影響,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降壓收集極設(shè)計(jì)的重要研究內(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。從圖中可看出一級降壓的極限降壓為1600V ,超過此電壓,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)文章請郵件至作者索要。

4、結(jié)論

　　基于場論模型建立螺旋線行波管多頻三維非線性自洽方程,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,開發(fā)出半解析半粒子模擬的互作用程序。計(jì)算了一種采用動態(tài)漸變技術(shù)的超高電子效行波管,包括冷測參數(shù)及AM/AM 和AM/PM 非線性特征,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。