W波段行波管切断位置性能分析与实验.pdf
《W波段行波管切断位置性能分析与实验.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《W波段行波管切断位置性能分析与实验.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 21 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.21,No.10Oct.,2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyW波段行波管切断位置性能分析与实验张小青,蔡 军,高 畅,穆涵硕,杜英华,冯进军(北京真空电子技术研究所 微波电真空器件国家重点实验室,北京 100015)摘要:为分析折叠波导行波管互作用电路切断位置的功率和频谱特性,提出并研制出一只四端口 W 波段脉冲行波管。对该行波管频带内互作用电路的S参数、切断处功率和对应频谱特性进行测试,分析表明:端口 2(输
2、入段的切断)的功率幅值主要取决于饱和状态下行波管的输入功率,与输入段增益不成正比关系分布;端口 3(输出段切断)功率主要取决于端口匹配性能,其数值计算功率和测试数据吻合良好。本文研究为毫米波及太赫兹行波管切断设计提供了一种有效方法。关键词:行波管;切断位置;折叠波导;W波段中图分类号:TN752 文献标志码:Adoi:10.11805/TKYDA2023207Analysis and experimental study on performance of Analysis and experimental study on performance of the W-band TWTs sev
3、er regionthe W-band TWTs sever regionZHANG Xiaoqing,CAI Jun,GAO Chang,MU Hanshuo,DU Yinghua,FENG Jingjun(National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics,Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing 100015,China)AbstractAbstract:To analyze the power and spectrum perfo
4、rmance of the Folded Waveguide(FWG)Traveling Wave Tube(TWT)sever region,a W-band TWT with four-port structure is proposed and developed.The S-parameter of interaction circuit,power and spectrum characteristic at the sever region are obtained and analyzed.The analysis shows that the power amplitude o
5、f port 2(sever of the input segment)mainly depends on the input power of the TWT at the saturated state,which is not proportional to the gain of the input segment.The power of port 3(sever of output segment)mainly depends on the matching performance of the ports,and the calculated power is in an exc
6、ellent agreement with the measured data.The study in this paper provide a practical method for designing sever region of the millimeter wave and terahertz TWTs.KeywordsKeywords:Traveling Wave Tube;sever region;Folded Waveguide;W-bandW 波段行波管作为系统核心部件之一,为发射机提供放大信号,在高分辨雷达成像、电子对抗等军事领域和高速通信、气象雷达等民用领域有着广泛的
7、应用前景1-4。近年来,W 波段行波管在大功率、高效率、宽频带、低电压小型化、微波功率模块(Microwave Power Module,MPM)等方向取得了诸多成果,其中:a)在大功率、高效率方向,中国电子科技集团公司第十二研究所(中国电科 12 所)研制出输出功率达 647 W 的大功率 W 波段行波管5和总效率大于 40%的高效率 W 波段行波管6;b)在低电压小型化研究方向,中国电科 12 所研制的小型化 W 波段行波管实现了 6 GHz 频带内输出功率大于 180 W,整管尺寸270 mm49 mm46 mm,质量 1.5 kg7;c)在宽频带方向,美国海军实验室研制的 W 波段行波
8、管工作带宽 10 GHz,输出功率100 W,其中 93 GHz 频点输出功率最高为215 W,增益为20 dB8;d)在MPM研究方向,L3公司研制的百瓦级W波段脉冲MPM,工作带宽4 GHz,最大输出功率为 176 W9;中国电科 12 所研制的 W 波段连续波功率模块,工作带宽 6 GHz,功率50 W,效率20%,模块的外形尺寸为 380 mm180 mm50 mm,质量为 5.5 kg10。W 波段行波管在折叠波导互作用电路中设置切断和集中衰减器,以中断反射或外部反馈路径,消除自激振荡,实现器件的高增益工作。集中衰减器作用是吸收掉互作用电路在切断位置的功率,内置在切断位置的波导槽内。
9、当行波管高占空比工作时,如果不能及时将衰减器吸附的热量导出,衰减器会因高温出现性能下降或释文章编号:2095-4980(2023)10-1211-06收稿日期:2023-07-28;修回日期:2023-08-26太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷放气体等现象,影响行波管性能和可靠性,甚至导致器件无法正常工作。常规行波管切断端口与集中衰减器内置在折叠波导行波管电路中,无法直接测量。因此,本文提出并研制出一只四端口高频结构的 W 波段行波管,测试了该行波管频带内互作用电路的 S 参数、切断处功率和对应频谱特性,并进行详细分析,为毫米波及太赫兹行波管切断功率计算提供数据支撑和分析方法。1基于四端口
10、结构的 W 波段行波管设计1.1 四端口高频结构与常规 W 波段行波管不同,四端口高频结构行波管的切断连接过渡波导和输能窗,在切断位置形成 2 个输出端口,分别记作端口 2 和端口 3,如图 1 所示。端口 2 可监测折叠波导互作用电路的输入段放大信号;端口 3 可监测互作用电路输出段的反射功率。行波管输入端(记作端口 1)和输出端(记作端口 4)分别传输行波管的输入和输出信号。四端口高频结构不仅可以原位获得折叠波导行波管切断位置的冷热测参数,监测切断位置的功率和频谱特性,还可以对互作用电路的输入段和输出段开展近似独立分析。1.2 互作用电路设计在 W 波段及太赫兹频段,较低的耦合阻抗(Kc)
11、是限制折叠波导行波管功率和互作用效率的瓶颈之一。为提升慢波电路的耦合阻抗,本文主要采用以下 2 种技术手段:一是工作点优化,通过优化折叠波导的宽边尺寸,综合考虑功率以及工作带宽等设计目标,选择合适的工作点,在满足技术指标要求的工作带宽前提下,尽可能地提升频带互作用耦合阻抗;二是采用弧形弯曲边界折叠波导慢波结构。相比于常规慢波结构,弧形弯曲边界折叠波导的耦合阻抗在 W 波段频段内,Kc可提升 30%,且没有引入额外的复杂性工艺11,结构示意图和尺寸参数如图 2 所示。为了提升 W 波段行波管电子效率,互作用电路采用相速跳变技术,使互作用后平均速度下降的电子与行波的速度再同步,延长电子注与电磁波互
12、作用时间,实现能量交换、效率提升。本文基于常规折叠波导慢波结构的特点和加工工艺,通过改变参数 p 进行相速调控,实现慢波电路与电子注的相速再同步。相速跳变选用 2 次下Fig.1 Three-dimensional diagram of the TWT with four-port structure图1 四端口结构的行波管三维图Fig.2 The diagram of FWG structure图2 折叠波导结构示意图1212第 10 期张小青等:W波段行波管切断位置性能分析与实验跳变方式,相速归一化如图 3 所示。互作用电路包括均匀电路部分(周期参数为 p1),互作用电路长度为 l1;一次
13、负向跳变电路部分(周期参数为 p2),互作用电路长度为(l2-l1);二次负向跳变电路部分(周期参数为 p3),互作用电路长度为(l3-l2)。采用 CST 软件建立折叠波导模型,六面体网络的每波长网格数、最小网格限制、网格线比率限制设置为 353535。在9197 GHz 频段内的相光速比(vp/c)曲线和 Kc曲线如图 4 所示。利 用 微 波 管 模 拟 套 装(Microwave Tube Simulator Suite,MTSS)软件优化互作用电路中相速跳变各部分的互作用长度、切断位置、增益等参数,使输出功率和带宽满足设计要求。W 波段折叠波导互作用电路设计结果如图 5 所示,行波管
14、的工作电压为 17.2 kV,工作电流 140 mA,在 9197 GHz 频带内饱和输出功率大于 230 W,最高输出功率达到 355 W。2W 波段行波管测试与分析2.1 四端口行波管测试四端口结构 W 波段行波管如图 6 所示,其中输能窗片采用性能优良的金刚石材料,该材料具有足够的机械强度、高气密性、功率承受能力,在 W 波段频带内输能系统的电压驻波比1.3;聚焦系统采用体积小、质量轻的周期永磁聚焦系统;收集极采用三级降压结构。行波管的工作电压 17.3 kV,工作电流 145 mA,实测样管流通率大于 97%,验证了四端口 W 波段行波管电子光学系统的可行性。在工作比 5%条件下,测试
15、了四端口结构 W 波段行波管电性能,测试框图和测试系统照片如图 7 所示。行波管测试系统如下:端口 1 连接 W 波段信号源,功率计探头 A 和定向耦合器 A 监测经输入窗进入互作用电路的电磁波信号;端口 2 连接定向耦合器 B,功率计探头 B 监测切断位置输入段放大功率;端口 3 连接定Fig.5 Simulation power curves of port2 and port4图5 端口2和端口4的功率计算曲线Fig.3 Phase velocity stepping technique of the FWG interaction circuit 图3 折叠波导互作用电路相速跳变Fig
16、.4 Cold characteristics of the FWG for the three sections with p1,p2 and p3图4 不同周期的折叠波导冷特性曲线Fig.6 The W-band TWT with four-port structure图6 四端口结构的W波段行波管1213太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷向耦合器 C,功率计探头 C 监测输出段的切断功率;端口 4 连接定向耦合器 D,功率计探头 D 监测输出段放大后的信号功率。2.2 互作用电路输入段测试数据分析W 波段行波管饱和状态下端口 2(输入段的切断)功率和输入段增益的测试曲线如图 8 所示,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 波段 行波 切断 位置 性能 分析 实验
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。