基于三維大信號(hào)注波互作用模型開發(fā)了空間行波管高頻系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件，針對(duì)無翼片加載的T 形桿、矩形桿、圓形桿和扇形桿夾持的螺旋線空間行波管，具有計(jì)算速度快、副特性預(yù)測(cè)精確的優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于多種管型的研制中。

　　空間行波管是廣泛應(yīng)用于通信、偵察、導(dǎo)航衛(wèi)星及載人航天、探月工程等微波鏈路的末級(jí)功率放大器，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為具有大功率、高效率、長壽命的特點(diǎn)，是航天工程的核心部件。國內(nèi)相關(guān)單位經(jīng)過兩個(gè)五年的艱苦攻關(guān)，功率、效率得到了長足的進(jìn)步，基本滿足了用戶的需求，而副特性指標(biāo)距通信、導(dǎo)航和寬帶高速數(shù)傳的要求還有一定距離。針對(duì)空間行波管的特點(diǎn)，開發(fā)了“電子所行波管仿真設(shè)計(jì)軟件IESTWT”，以實(shí)現(xiàn)快速、可靠的綜合指標(biāo)優(yōu)化能力。

1、冷測(cè)模型

　　行波管的慢波類型達(dá)到上百種，復(fù)雜的慢波系統(tǒng)需要精確的三維數(shù)值解�？臻g行波管帶寬較窄，通常采用無翼片的簡單夾持結(jié)構(gòu)，理論解析模型具有快速優(yōu)化的特點(diǎn)。

　　解析螺旋帶模型的難點(diǎn)在于夾持桿的等效方法和螺旋線的寬度和厚度的處理。利用夾持桿的幾何學(xué)等效原理將分立夾持桿等效為分層的介質(zhì)圓筒，并將螺旋帶厚度考慮為一等厚真空層。第i 層的等效介電常數(shù)為:

　　引入拋物線復(fù)數(shù)解非線性方程迭代算法，求得復(fù)傳播常數(shù)kz，從而計(jì)算出色散曲線vp =ω/Re(kz) 。

2、大信號(hào)互作用模型

　　由信號(hào)分析可知，任何連續(xù)的時(shí)域信號(hào)均可以通過傅里葉展式變換為一系列離散的頻率信號(hào)的疊加。在螺旋線緩變慢波結(jié)構(gòu)中，線路場(chǎng)可表示為:

圖1 空間行波管冷測(cè)模型界面

4、副特性設(shè)計(jì)實(shí)例

　　該軟件應(yīng)用于1 ～ 40 GHz 十多種空間行波管的設(shè)計(jì)和參考設(shè)計(jì)，高頻系統(tǒng)具有計(jì)算速度快、副特性預(yù)測(cè)精確的優(yōu)點(diǎn)，有效縮短了制管周期和成本。表1 為Ka 波段50 W 空間行波管兩種管型的研制結(jié)果，可見，優(yōu)化后的行波管相移有65° ( 設(shè)計(jì)55° ～65°)下降為40° ( 設(shè)計(jì)30° ～ 38°)，高速數(shù)傳實(shí)驗(yàn)8PSK 誤比特率降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到系統(tǒng)要求。

表1 Ka 波段50 W 行波管副特性優(yōu)化

5、結(jié)論

　　通過持續(xù)改進(jìn)，該軟件能夠較精確的計(jì)算功率、電子效率、增益和相移特性，完成快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了“一次性”制管成功。后續(xù)工作將在增益波動(dòng)、群時(shí)延、噪聲系數(shù)等副特性指標(biāo)的設(shè)計(jì)中給出理論參考依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。