论文研究-切断对折叠波导行波管输出性能的影响 .pdf

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切断对折叠波导行波管输出性能的影响,巩华荣,宫玉彬,折叠波导以其宽频带、加工方便而成为一类重要的毫米波与太赫兹波段行波管慢波线。采用二维大信号程序,模拟计算了切断的起始位置
国科花论文在线 http://www.paperedu.cn 切断位置对行波管输出性能的影响 在切断长度不变的情况下,改变切断的起始点位置,计算结果如图3所示。从图中可以 看出,对于特定的工作电压与工作电流以及切断长度,整管电子效率随切断位置的变化有 个敏感转折氐。一开始,随着切断起始位置朝输岀端栘动,在直到一个转折点之前,总的电 子效率基本不变,饱和増益乜不变。但是过转折点再朝输岀端移动,电子效率急劁下降。这 与 Srivastava的耦合腔行波管研究结果相符。对」我们所研究的折叠波导行波管,转折点 在前段增益为17dB时。 电了束到达此区域前与增长波的分布式互作用,使得电了束同时具有速度调制和密度调 制,在切断及其匹配区域,电子束与电磁波隔绝,电子束在此区域内的行为与速调管的漂移 空间类似,一方面在此区域的漂移具冇速度-密度调制过程,使得电子束继续被群聚,另一 方面由于空间电荷效应,群聚电子束具有去群聚过程。这两个过程在电子束通过切断区域时 同时发生,当切断点起始位置在转折点之前,第一段增益较小,束流调制较浅,在切断区域 群聚作用大于去群聚作用,使得整个互作用过程中群聚效果基本不变。饱和电子效率基本不 变。当切断起始点位于转折点之后,第一段増益较高,束流调制已较深,进入切断区域后, 去群聚作用大于群聚作用,电」束流群聚状态改变,导致整个群聚紊乱,电」效率随之下降, Scott在饼究切断对一只耦合腔行波管的输岀影响时指岀:要维持电子效率不变,后端增益 必须大于26dB,这也意味着切断不能太过靠后,使得前段增益过大。 在螺旋线或耦合腔行波管中,电子束流在切断匹配区与衰减的电磁波会发生相互作用, 设置切断的起点时考虑切断匹配的衰减,可使电子束基波群聚分量相对回落,有利与增强群 娶效果。但是很可惜,这一方法不适用于折叠波导行波管。只能前移切断点,利用电子束 在切断区间的漂移来増强群聚。要増强群聚效果,就得提高电子朿流速度调制量,也就是提 高输入信号功率,从这一点讲,超压运行的折叠波导行波管因为增益较低,要求输入信号嘔 佶较大,所以有利于漂移群聚。 18 10 日 10 gain before the sever o saturated electron efficient caviy nuber before the sever Fig 3 Saturated efficiency against sever position for a folded wave guide TWT 图3折叠波导行波管中哀减器位置对饱和电子效率的影响 切断长度对行波管输出性能的影响 在维持切断位置不变的情况下,改变切断的长度,计算结果如图4所示。切断位置靠前, 切断长度在一定范围内,整管饱和电子效率基本不变。切断位置靠后,切断长度减小时,整 国科花论文在线 http://www.paperedu.cn 管饱和效率急剧降低。且增加切断长度吋,饱和咆了效率也较切断位置靠前的情氿低。造成 这种情況的原因是管子的发射损耗。由行波管波动理论可知,当电子束通过切断区域进入第 二段时,会同时激励起三个前向波信号,增长波只是其中的一个,另外两个一个是衰减波, 个是等幅波,三个波初始能量相同。此时激励起另两个波对于管子来说是一种损耗,这 种损耗被称为发射损耗( launching loss),由于折叠波导行波管切断的匹配衰减区与电 子束通道完全隔断,另外的两个波完全不能被衰减,因而发射损耗较普通耦合腔行波管要人。 切断位置靠后,电子束在前一段密度调制较深,群聚较好;切断长度短,去群聚不足,进入 竻二段后,激励起的信号功率较高,因而发射损耗很大,使得电子束遠度降低,速度同步被 扰乱,因而壑管饱和电子效窣降低。切断区长度加长后,去群聚作用明显。电」进入第二段 吋群聚程度较低,发射损耗降低。因而饱和电了效率较反而有所提高。 图5为管了饱和长度随切断长度增长的变化。切断长度越长,去群聚作用越明显,重新 群聚过程延长,饱和输岀长度增加。切断起始位置越靠前,进入切断区时速度调制深度越小, 在切断区域内速度密度调制程度越低,管子饱和长度增加越多。在切断起始位置超过转折 点、第一段群聚程度髙的情況下,切断区琙长度越长,去群聚效果越明显,使得电子朿进入 筅二段时重新群聚过稈延长,因而饱和输出长度的延长量会很人。这会增加管子的聚焦调整 难度,也对封装使用不利。 10 8 a-sever start position 32 o-sever start position 36 6 ▲- sever start positi。n42 sever cavity number Fig 4 Saturated efficiency against sever length for a folded wave guide TWT 图4折叠波导行波管中叨断长度对饱和电子效率的影响 0.18 d 8017 - sever stait position 32 Asever start position 36 0.15 sever cavity number Fig 5 Saturated length against with sever length in a folded wave guide TWT 结论 巾国科技论又在线 http://www.paperedu.cn 折叠波导行波管中切断对整管输岀性能影响的因素有两个,个是电了束在切断区的群 聚与去群聚作用过程,另一个是通过切断区后的发射损耗。模拟计算的结果都可以用着两个 因素解释。衰减器的吸收损耗与二者相比,其影响可以忽略不计。虽然我们不能在所使用的 大信号软件中得到这两个因素的量化表示,但是对输出结果可以通过分析这两个因素的来解 释,根据定性的理论解释结合模拟计算,可对折叠波导行汝管的切断作出快速、优良的设计。 折叠波导行波管切断起始位置的确定以转折点为准,虽然在转折点之前很宽的位置上设 置切断的起始点,都不会影响到整管的饱和电子效率和饱和増益,但是行波管的整管饱和增 益为管子第一段和第二段增益之和,切断起始点过于靠前,管子第一段增益过小,会导致第 二段增益过大,使得第二段振荡风险加大,失去了改置切断的意义 在普通的耦合腔行波管设计中,切断区长度要求尽可能短,减轻去群聚作用,在我们的 分析中,只要切断起始位置位于转折点之前,则切断长度加长,会影响到整管饱和长度外, 对整管饱和电子效率影响不大,这降低了切断匹配设计的难度。但是应该注意到,切断长度 增加后,去群聚作用增强,电子朿进入第二段后,群聚电流分量减小,由输出窗反射和切断 不完全匹配反射引起的反馈信号对电子束的调制一旦超过群聚电流,就会在第二段引起振 荡。所以切断匹配长度增加后,对切断匹配的要求也更加苛刻21。 参考文献 1] Booske JH, Converse M C, Kory C L, et al. 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A folded wavegu ide trav eling wave tube with sever wa s simulated b y 2-Dimension nonlinear analysis program The influence o f the sev er position and sev er length to the saturated ele ctron effi ciency wa s obt ained. The bunching and debouching beh avior of the electron beam in sever position and the launching loss determined the electron efficiency of the tube. There is a critical sever position in the tube. The electron efficiency of the tube will d ecrease if the sev er st art p osition after the cri tical point. I ncreasing the se ver length will not affect the saturated e lectron effic iency but will enlarge th e satura ted tube length if th e se ver was set b efore the critical position. The longer sever length also need high quality impedance match for the stable operating of the tube Traveling wave tubes, folded waveguide, sever; impedance match

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