一种耦合腔行波管群时延的抑制方法

摘要

本发明公开了一种耦合腔行波管群时延的抑制方法，包括以下步骤：S1、对耦合腔行波管进行周期长度扫描计算，得到其色散特性曲线；S2、逐渐增大耦合腔行波管的耦合槽开口角度，对每个不同耦合槽角度的耦合腔行波管分别进行周期长度扫描计算；S3、得到具有相同的相速的不同耦合槽开口角度和周期长度的耦合腔行波管结构；S4、对S3得到的耦合腔行波管结构分别进行注波互作用计算，将满足输出功率要求的情况下群时延最小的耦合槽开口角度和周期长度作为耦合腔行波管的最终结构。本发明通过合理控制耦合槽开口角度和周期长度，改善整个频带内电子注与波的同步程度，有效实现了群时延的抑制，满足了行波管放大整机对耦合腔行波管的群时延要求。

权利要求

1.一种耦合腔行波管群时延的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对耦合腔行波管进行周期长度的扫描计算，得到其在不同周期长度下的色散特性曲线；

S2、以每次一定的角度逐渐增大或者减小耦合腔行波管的耦合槽开口角度，对每个不同耦合槽角度的耦合腔行波管分别进行周期长度扫描计算，得到每个不同耦合槽开口角度和不同周期长度下的耦合腔行波管的色散特性曲线；

S3、对比每条色散特性曲线，得到一系列在同一频点具有相同的相速的不同耦合槽开口角度和周期长度的耦合腔行波管结构；

S4、对步骤S3得到的耦合腔行波管分别进行注波互作用计算，得到其输出功率和群时延，对比群时延结果，将满足输出功率要求的情况下群时延最小的耦合槽开口角度和周期长度作为耦合腔行波管的最终结构；

群时延的计算方法为：

其中，τ是群时延，Φ是场相位，f是频率。

说明书

一种耦合腔行波管群时延的抑制方法

技术领域

[0001] 本发明属于耦合腔行波管非线性领域，特别涉及一种耦合腔行波管群时延的抑制方法。

背景技术

[0002] 耦合腔行波管一种具有高效率、高增益、高功率，良好散热能力的微波放大器，目前，数十种型号的耦合腔行波管已应用于舰载、机载弹载和地面的军事电子装备中，同时在卫星、地面通信和遥感等方面有广泛的应用。随着通信等领域对时间同步精度要求的日益提高，其精度要求已经达到1～2ns。对放大器的时间精度的要求也越来越高，而放大器的群时延会对信号传播的时延产生影响，进而影响时间同步精度和伪距测量。放大器的群时延波动已经成为时间同步的主要系统误差，然而目前对耦合腔行波管群时延抑制的研究仍然很少，其产生机理和抑制方法仍是急需解决的问题，因此非常有必要研究耦合腔行波管群时延的抑制方法，来满足现代通信及电子战的需求。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于耦合槽开口角度和周期长度调整的耦合腔行波管群时延的抑制方法，在保证耦合腔行波管输出功率满足要求的前提下，通过合理控制耦合槽开口角度和周期长度，改善整个频带内电子注与波的同步程度，有效实现了群时延的抑制，能够将群时延降低到1ns以下，满足了行波管放大整机对耦合腔行波管的群时延要求。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种耦合腔行波管群时延的抑制方法，包括以下步骤：

[0005] S1、对耦合腔行波管进行周期长度的扫描计算，得到其在不同周期长度下的色散特性曲线；

[0006] S2、以每次一定的角度逐渐增大耦合腔行波管的耦合槽开口角度，对每个不同耦合槽角度的耦合腔行波管分别进行周期长度扫描计算，得到每个不同耦合槽开口角度和不同周期长度下的耦合腔行波管的色散特性曲线；

[0007] S3、对比每条色散特性曲线，得到一系列在同一频点具有相同的相速的不同耦合槽开口角度和周期长度的耦合腔行波管结构；

[0008] S4、对步骤S3得到的耦合腔行波管分别进行注波互作用计算，得到其输出功率和群时延，对比群时延结果，将满足输出功率要求的情况下群时延最小的耦合槽开口角度和周期长度作为耦合腔行波管的最终结构。

[0009] 进一步地，所述步骤S4中，群时延的计算方法为：

[0010]

[0011] 其中，τ是群时延，Φ是场相位，f是频率。

[0012] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于耦合槽开口角度和周期长度调整的耦合腔行波管群时延抑制方法，在保证耦合腔行波管输出功率满足要求的前提下，通过合理控制耦合槽开口角度和周期长度，使得在工作频点处保证耦合腔高频结构相速不变的前提下控制其群速变化，改善整个频带内电子注与波的同步程度，有效实现了群时延的抑制，能够将群时延降低到1ns以下，满足了行波管放大整机对耦合腔行波管的群时延要求。

附图说明

[0013] 图1为本发明的耦合腔行波管群时延的抑制方法的流程图；

[0014] 图2为本发明提供的实施例中Ka波段耦合腔行波管模型图；

[0015] 图3为本发明提供的实施例中Ka波段耦合腔行波管在两组不同参数下的归一化相速图；

[0016] 图4为本发明提供的实施例中Ka波段耦合腔行波管在两组不同参数下的输出功率对比图；

[0017] 图5为本发明提供的实施例中Ka波段耦合腔行波管在两组不同参数下的群时延对比图。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

[0019] 如图1所示，一种耦合腔行波管群时延的抑制方法，包括以下步骤：

[0020] S1、对耦合腔行波管进行周期长度的扫描计算，得到其在不同周期长度下的色散特性曲线；

[0021] S2、以每次一定的角度逐渐增大耦合腔行波管的耦合槽开口角度，对每个不同耦合槽角度的耦合腔行波管分别进行周期长度扫描计算，得到每个不同耦合槽开口角度和不同周期长度下的耦合腔行波管的色散特性曲线；

[0022] S3、对比每条色散特性曲线，得到一系列在同一频点具有相同的相速的不同耦合槽开口角度和周期长度的耦合腔行波管结构；

[0023] S4、对步骤S3得到的耦合腔行波管分别进行注波互作用计算，得到其输出功率和群时延，对比群时延结果，将满足输出功率要求的情况下群时延最小的耦合槽开口角度和周期长度作为耦合腔行波管的最终结构。

[0024] 进一步地，所述步骤S4中，群时延的计算方法为：

[0025]

[0026] 其中，τ是群时延，Φ是场相位，f是频率。

[0027] 下面以一只Ka波段的扇形休斯耦合腔行波管为例，对本发明的技术方案进行详细阐述。需说明本发明不局限于Ka波段，而是对任何结构的耦合腔行波管都通用的群时延抑制方法。

[0028] 针对Ka波段的耦合腔行波管，采用一种基于耦合槽开口角度和周期长度调整的方法对该行波管进行群时延抑制仿真，并且保证输出功率大于1400W。

[0029] (1)建立一只Ka波段耦合腔行波管模型，其高频结构采用扇形休斯型耦合腔，如图2所示。调整其初始耦合槽开口角度为125度，对其进行不同周期长度的扫描计算，得到色散特性曲线。

[0030] (2)以每次一定的角度逐渐增大耦合槽开口角度，本步骤只是有规律的调整开口角度即可，可以从小到大，也可以从大到小，然后对每次角度改变后的结构进行扫描，每次角度增加少则需要进行扫描的次数增加，增加的多则需要进行扫描的次数减少，由用户自行确定即可。本实施例具体为从125度增大到175度，每次增加5度。对每个不同耦合槽开口角度的耦合腔行波管进行不同周期长度的扫描计算，得到它们的色散特性曲线，对比其色散特性曲线，发现在某一频率点，不同开口角度和周期长度的曲线有交点，即不同的结构在这一点具有相同的相速。在行波管中，要成功地放大电磁波信号，必须要满足同步条件。所谓同步条件就是，在慢波系统中电磁波的相速vp要略小于电子速度ve，因此在进行理论计算的时候，可以认为电磁波的相速与电子速度是相等的。由 可知,具有相同相速的结构在互作用过程中具有相同的同步电压和电流，从而电子速度也相同。但是不同耦合腔结构传播的波色散平坦程度不同，群速不同，所以不同频率的波与电子的同步程度不同，它们的群时延也不同。如图3为开口角度125度，周期长度4.260mm(优化前的曲线)和开口角度175度，周期长度4.755mm(优化后的曲线)的归一化相速对比。

[0031] (3)先对耦合槽开口角度125度，周期长度4.26mm的扇形休斯耦合腔结构进行注波互作用计算，其中工作电压为17700V，工作同步电流为500mA，得到其输出功率及群时延，发现其群时延在5ns左右。而行波管放大整机对耦合腔行波管的群时延波动的要求是，带内群时延波动不得超过1.0ns，明显5ns不符合要求，需要对结构优化设计。对第(2)步得到的一系列具有相同相速的不同结构进行互作用仿真计算，发现在保证输出功率大于1400W的前提下，当耦合槽开口角度为175度，周期长度为4.755mm时，群时延最小，并且降低到1ns以下。因此将耦合槽开口角度设置为175度，周期长度设置为4.755mm。

[0032] 综上所述，本发明以一只Ka波段行波管为例，在保证输出功率的前提下提出了一种群时延抑制方法，即在不用改变管子其他结构的前提下，通过调整耦合槽开口角度和耦合腔周期长度，把耦合槽开口角度125度，周期长度4.26mm的耦合腔结构最终确定为开口角度175度，周期长度4.755mm的结构。图4为本实施例中Ka波段耦合腔行波管在耦合槽开口角度设置为175度，周期长度设置为4.755mm和耦合槽开口角度125度，周期长度4.26mm两组参数下的输出功率对比图；图5为本实施例中Ka波段耦合腔行波管在耦合槽开口角度设置为175度，周期长度设置为4.755mm和耦合槽开口角度125度，周期长度4.26mm两组不同参数下的群时延对比图。图中，优化前为耦合槽开口角度125度，周期长度4.26mm的曲线，优化后为耦合槽开口角度设置为175度，周期长度设置为4.755mm的曲线。从图4和图5可以看出，采用本发明的群时延抑制方法，能够有效优化电子与波的同步程度，有效抑制群时延，保证行波管质量。

[0033] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。