Ku频段宽带相控阵天线技术研究

阵列天线易于实现高增益、波束扫描及波束赋形等功能,成为现代无线通信、导航、雷达等信息系统收发信号的主要手段。为满足高速率、广覆盖、多功能等发展需求,现代无线信息系统要求阵列天线具有宽工作带宽、宽角波束扫描能力及平面化、低剖面等特性。为此,文中以Ku频段、低剖面、宽频带相控阵天线为研究方向,基于微带天线宽带化技术、L型探针耦合馈电技术及加载等效腔体结构,开展微带天线的宽带化和相控阵天线的宽角扫描技术研究。文中提出了一种基于L型探针耦合馈电结构的具有宽带、宽角扫描能力的8×8阵列天线。实测结果表明,在VSWR<3时,在13.0~18.0 GHz阻抗带宽内(相对带宽为32.3%),该阵列天线在E面和H面均可实现±60°的扫描覆盖范围。实测结果和仿真结果具有较好的一致性。

行波管中静态轨迹的研究

研究了行波管中均匀聚焦磁场和周期永磁聚焦磁场对轨迹波动的影响。推导了这两种磁场下轨迹波动周期和幅值,讨论了磁场强度对轨迹的影响。解释了聚焦磁场存在小的波动的原因,并且通过计算得出小波动的周期为磁场周期的1/2,揭示了在周期永磁聚焦磁场下,电子轨迹近似等效于周期为周期永磁聚焦磁场1/2的小波动和均匀磁场形成的波动轨迹的叠加。利用电子科技大学编写的微波管模拟套装中的3维注-波互作用模块进行了静态轨迹计算,验证了理论推导。

螺旋线行波管三维返波互作用理论与数值模拟

建立了三维非线性返波互作用模型,用于精确分析大功率螺旋线行波管中返波振荡非线性过程问题,并提出了计算返波振荡功率的方法及磁场抑制手段.该理论模型包括三维线路场方程、三维运动方程以及三维空间电荷场.首先比较三维模型与原有一维模型之间的差异,发现一维空间电荷场的径向交流电流分布模型与三维模型的差异是导致振荡频率偏大及起振长度缩短的主要原因.然后计算返波饱和输出功率大小并揭示返波饱和功率和振荡频率与互作用长度的关系,并探讨了磁场对返波振荡的抑制影响.最后以某一毫米波行波管为例,实验对比了一维与三维模型计算的振荡频率与热测的差异,其中三维模型的相对误差小于4.8%.

螺旋线行波管中场的数值分析

该文对螺旋线行波管中的场进行了数值分析。研究表明数值求解时主从边界条件的位置决定场传播的方向,螺旋线旋转方向决定场的旋转变化方向。螺旋线外各类夹持杆和翼片对螺旋线内部场分布影响很小,场基本随贝塞尔函数分布,但耦合阻抗变化较大,这主要是由于场受螺旋线外结构影响而影响功率分配。同时,对场的各次空间谐波的研究,特别是零次和负一次空间谐波,有利于准确地求解各次空间谐波的耦合阻抗,对提高螺旋线行波管放大器和返波振荡的大信号注波互作用计算的准确性有重要的意义。

螺旋线行波管1维多频非线性理论与模拟

采用CHRISTINE报告中的1维多信号非线性互作用模型,在其场方程、相位方程和含空间电荷场的运动方程的表达式基础上,增加了切断区域的工作方程组,并考虑了电位下沉带来的影响。基于此非线性互作用工作方程组编写了数值计算程序。为了便于对行波管互作用进行模拟设计时选择最佳工作电压和输入功率,在程序中加入了扫描电压和输入功率的功能。对某行波管注波互作用过程进行了模拟,并分析了谐波和互调的影响。由于计算速度快,模拟结果较好,对螺旋线行波管的初步设计和验证具有较强的指导意义。

微波管CAD技术进展

传统的经验设计方法很难综合性地进一步提高微波管的功率、带宽、增益、效率及非线性特性等性能,高精度的微波管CAD模拟软件是改进设计,提高性能的主要手段。该文综述了微波管CAD技术的国内外研究进展,介绍了微波管CAD软件的主要分类及代表性软件,特别是我国自主研发的"二维宽带大功率行波管CAD集成环境"软件系统及"三维微波管模拟器套装"。展望了微波管CAD技术的发展前景,对我国自主开发微波管CAD软件提出了一些建议。

大功率同轴与波导窗的结构与设计原理综述

大功率微波输能窗是微波电子管、电子直线加速器、正负电子对撞机、等离子体加热等装置的关键部件之一,其性能直接影响到器件的工作带宽、功率容量、寿命和可靠性等性能,甚至研制的成败。本文总结了几种大功率同轴窗和波导窗的结构和设计方法,并对大功率微波输能窗设计过程中存在的主要问题与发展趋势进行了分析,希望对各种应用场合下微波输能窗的选择和设计起到一定的引导作用。

回旋速调管注波互作用理论的发展及评述

回旋速调管是一类具有重要应用前景的高功率、高效率和高增益相干毫米波源。本文简要介绍了回旋速调管的结构和工作原理,重点评述了回旋速调管注波互作用理论的发展状况和趋势,指出了发展中存在的一些问题,并提出了自己的建议,希望能对中国回旋速调管的发展起到一定的推动作用。

一种宽带大功率同轴窗研究

针对半波长同轴窗与同轴陶瓷行波窗存在的带宽窄、功率容量低的局限,本文提出了一种宽带大功率同轴窗结构,并给出了其设计原理。利用HFSS与CST Microwave Studio优化设计了L波段宽带大功率同轴窗,并与半波长同轴窗与陶瓷行波同轴窗进行了性能对比分析。模拟结果表明,宽带大功率同轴窗相比半波长同轴窗与陶瓷行波同轴窗具有更宽的带宽与更高的功率容量。优化设计的L波段宽带大功率同轴窗,其-30 dB带宽约为行波同轴窗的2.5倍,窗片区域的电场与行波同轴窗相当,为半波长同轴窗的一半以下。匹配膜片附近的电场幅度降低至行波同轴窗的75%。CST仿真显示,膜片与间隙的尺寸与位置对宽带大功率同轴窗的带宽影响明显,而对电场分布的影响较弱,因而可以通过调整膜片与间隙获得宽带宽与高功率容量。同时,电场强度轴向分布随频率变化不大。宽带大功率同轴窗在整个宽频带内具有高功率容量。

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的优化设计与分析

设计了一支Ka波段二次谐波回旋速调管放大器,并利用基于广义电报方程的时域自洽非线性理论模型,对设计的回旋速调管进行了数值模拟。详细分析了工作电流、横纵速度比和磁场等参数对放大器输出功率、增益和效率的影响,得到了最佳的工作参数。模拟结果表明,在电子注电压70 kV,电流15 A,磁场0.675 T附近,可以获得大于250 kW的输出功率,近26%的效率和440MHz的带宽。

休斯型耦合腔慢波结构正向设计初步研究

针对高效率耦合腔行波管提出一种正向设计的初步方法,可根据设计指标对其慢波结构进行快速的定量设计。其设计思想是在满足带宽内的注波互作用同步条件的基础上,尽可能提高总阻抗。为此提出"带宽相速差之比"参量来描述带宽与同步的关系,并以此参量和Curnow等效电路模型分析了休斯型耦合腔慢波结构的各个参量变化对带宽和总阻抗的影响情况,从而建立慢波结构的正向设计过程;使用这种设计方法,针对给定的Ka波段的耦合腔行波管参数指标进行快速设计,设计结果基本满足指标要求。

耦合腔行波管高频结构优化研究

以Curnow等效电路为依据,基于基尔霍夫电压和电流定理,获得了通用Curnow等效电路模型的色散、总阻抗的计算方法;从设计角度出发,根据色散和总阻抗计算方法,以实际结构为例,探讨了在保证整个工作带宽内,器件的工作频率和相速基本不变的情况下,腔体结构参数变化对总阻抗的影响,并以此为依据,对原有结构参数进行了优化,从而提出了一种可用于耦合腔行波管高频结构优化的方法。

行波管中聚焦磁场对互作用影响的研究

本文应用MAGIC模拟软件,研究了周期永磁聚焦螺旋线行波管中聚焦磁场的分布对电子轨迹的影响。分别模拟了电子的静态轨迹和互作用轨迹,通过对电子轨迹的分析,设计了一种渐变的磁场分布。应用MAGIC模拟软件对这种渐变磁场进行模拟仿真,结果显示这种渐变磁场可以有效抑制电子散焦,并通过仿真结果分析了如何设置这种新型磁场。

螺旋线行波管薄膜衰减器高频衰减特性的研究

利用HFSS仿真软件对螺旋线行波管中衰减器的衰减量分布情况进行了模拟分析。由于直接模拟螺旋线行波管中不同涂碳层厚度下衰减器的衰减分布情况难度大,计算量大,涂碳厚度不易模拟,因此,本文利用等效替换的方法进行了模拟计算,通过对单根夹持杆进行波导测试,获得S21,找到不同S21下的等效体电率或损耗角正切,并将他们对应的这些材料替换到行波管内,计算相应的衰减常数,得出不同位置下的衰减常数。

随机线路制造误差对行波管小信号增益和相位的影响

借助于小信号理论,建立了用于求解小信号增益和相位的三阶微分方程,并以V波段螺旋线行波管为例,就螺旋慢波电路参数在公差范围内外做细微变化时,对行波管小信号增益和相位的影响,得出了一些有用结论,这些结果为生产工艺上有效控制工艺参数,提供了具有实际指导意义的参考。

考虑谐波互作用的行波管欧拉非线性理论模型

基于拉格朗日体系的考虑谐波互作用的理论模型,将离散的粒子近似处理为流体,得到电子相位的连续分布函数.对电子相位连续分布函数进行傅里叶一阶展开,并结合贝塞尔母函数关系式,建立了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型.应用考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型对一支L波段空间行波管和一支C波段空间行波管进行大信号分析,并与拉格朗日理论模型进行对比.结果表明:在增益1dB压缩点之前,考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型与拉格朗日理论模型十分符合,增益最大误差不超过4%.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型能够有效的对增益1 dB压缩点之前的谐波进行分析.仿真结果验证了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型的正确性和有效性.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论不但提供了一个谐波快速计算模型,而且为后续研究行波管谐波的产生机理与抑制方法奠定了基础.

大功率毫米波行波管AM/PM转换特性大信号解析理论的研究

基于相位展开的欧拉大信号理论,采用逐次逼近法推导得到场和AM/PM转换(输出相位对输入功率的导数)的大信号解析解。以一支Q波段毫米波行波管为例,将大信号解析解与拉格朗日理论以及传统欧拉非线性理论进行对比。结果表明:大信号解析解的功率、增益和相移以及AM/PM转换与拉格朗日理论在线性区和中度互作用区十分吻合,饱和增益最大误差小于8. 5%。同时大信号解析解相较于传统的欧拉非线性模型具有更高的精度,且能表现出饱和现象。

三维电子光学模拟器的网格自适应研究

根据微波管电子光学系统有限元数值分析的特点,介绍了微波管电子光学系统有限元网格自适应的后验误差估计方法和网格自适应加密策略,并成功地在微波管模拟器套装电子光学模拟器中实现了网格自适应技术。以单阳极无栅电子枪为例,给出了网格自适应方法的计算结果,同时比较了均匀加密与网格自适应加密的计算结果,结果表明:网格自适应加密具有更好的收敛性以及更快的收敛速度,同时也表明提出的网格自适应方法是有效的。

考虑热初速效应的电子枪优化设计分析

行波管电子枪中电子发射是影响电子注质量的关键因素,阴极发射电子时的热初速会引起电子注发散、层流性变差、射程降低等现象。目前,在考虑电子热初速的发射模型中,宏电子的热初速根据电子的统计分布规律给出,但是未考虑阴极形状对宏电子发射具有约束的影响。为了避免电子枪仿真软件中宏电子的热初速发射模型因没有考虑阴极形状约束带来的计算误差,本文提出了一种在球面阴极形状约束下的宏电子热初速发射模型。在此发射模型的基础上,通过分析电子枪设计参数对热初速效应的影响,提出了一种抑制热初速效应的电子枪设计方法,使得设计与加工装配之间有更高的吻合度。

螺旋线行波管群时延失真特性小信号分析（英文）

基于欧拉坐标系发展了一种新颖的欧拉小信号理论模型。在考虑衰减和空间电荷场的情况下,对欧拉小信号理论模型进行求解,建立了群时延小信号解析模型。应用群时延小信号解析模型对一支C波段空间行波管进行优化,并与拉格朗日理论模型进行对比。仿真结果验证了群时延小信号解析模型的正确性和有效性。