CN105932394A - 一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法，属于微波真空电子器件能量耦合器技术领域。本发明将螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计分解成相对独立的几个模块进行分别设计，并最终通过仿真优化快速获得满足工作频率范围和性能指标要求的同轴能量耦合器。这种方法可以准确快速地设计满足特定性能要求的螺旋线行波管能量耦合器，克服了单纯利用三维电磁仿真软件进行设计所带来的耗时长、计算机资源消耗大等问题，为螺旋线行波管能量耦合器的快速高效设计提供了一种行之有效的方法。

Description

一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法

技术领域

本发明属于微波真空电子器件能量耦合器技术领域，具体涉及一种螺旋线行波管同轴能量耦合器设计方法。

背景技术

螺旋线行波管是一类非常重要的微波电真空器件，具有大功率、宽频带、高增益和高效率等特点，广泛应用在雷达、电子对抗和卫星通信等领域。能量耦合器是螺旋线行波管的关键部件之一，负责实现电磁信号在管外传输线(一般为同轴线或波导)与螺旋线高频系统之间的能量耦合与传输。能量耦合器的示意图见图1。

常用螺旋线行波管同轴能量耦合器结构如图2所示，由同轴窗1、阻抗变换器2和过渡连接段3构成。同轴窗负责实现管内高真空环境与管外传输线中的大气环境隔离，阻抗变换器实现管外同轴线与螺旋线高频系统之间的阻抗匹配。过渡连接段实现同轴内导体与螺旋线之间的平滑连接。整个能量耦合器保证高频功率以尽量小的损耗(包括反射损耗和电阻性损耗)传输。

能量耦合器的设计在电性能上存在不同传输线之间的电磁转换和阻抗匹配问题。管外传输线通常采用特性阻抗为50欧姆的标准同轴线，而螺旋线高频系统的输入阻抗比较高，通常在100-200欧姆之间。同时由于螺旋线高频系统的结构复杂，其特性阻抗随频率变化且很难精确确定，给能量耦合器的快速精确设计带来了极大困难。目前，螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计主要利用三维电磁仿真软件对包含同轴窗、阻抗变换器、过渡连接段和螺旋线高频系统在内的复杂结构模型进行大量仿真与优化，以获得满足性能要求的同轴能量耦合器。这种方法耗时长、计算机资源消耗大、无法快速获得满足要求的结构尺寸。针对这种现状，本发明提出了一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法。该设计方法将能量耦合器的设计分解成成几个相对独立的设计模块，进行分别设计。这样可以利用成熟的同轴窗和阻抗变换器设计理论进行初始设计，并利用三维电磁仿真软件快速仿真和优化得到满足性能的同轴窗和阻抗变换器。在分段设计成功后，再将包含同轴窗、阻抗变换器、过渡连接段和螺旋线高频系统在内的复杂结构模型进行仿真验证与少量优化，从而快速得到满足性能要求的能量耦合器。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中螺旋线行波管同轴能量耦合器设计存在的耗时长、计算机资源消耗大、无法快速获得满足性能要求能量耦合器的问题，提出了一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法。

本发明的技术方案为：一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据螺旋线行波管的工作频率范围确定同轴能量耦合器的频率范围以及性能指标。

S2、根据同轴能量耦合器的频率范围和性能指标，利用三维电磁仿真软件设计过渡连接段3，并获得过渡连接段端口输入阻抗的估计值。

S3、将步骤S2获得的过渡连接段端口输入阻抗估计值作为负载阻抗，设计阻抗变换器2，实现管外同轴线与负载阻抗之间的阻抗匹配和电磁信号的低反射传输。

S4、根据能量耦合器的频率范围和同轴窗的设计指标，设计螺旋线行波管同轴窗1。

S5、保持各段同轴线的特性阻抗不变，结合管外同轴线的尺寸，以及螺旋线行波管对同轴线内外导体半径的尺寸等要求，调整阻抗变换器2各段同轴线的内外半径。

S6、利用三维电磁仿真软件建立同轴窗、阻抗变换器、负载同轴线的仿真模型，并对同轴窗和阻抗变换器进行小范围优化，使之满足指定性能指标。

S7、利用三维电磁仿真软件将包含同轴窗1、阻抗变换器2、过渡连接段3和螺旋线高频系统的完整结构进行建模仿真，必要时对同轴窗和阻抗变换器进行少量扫描优化，获得满足性能要求的螺旋线行波管同轴能量耦合器。

本发明的有益效果是：本发明将螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计分解成相对独立的几个模块进行分别设计，并最终通过仿真优化快速获得满足工作频率范围和性能指标要求的同轴能量耦合器。这种方法可以准确快速地设计满足特定性能要求的螺旋线行波管能量耦合器，克服了单纯利用三维电磁仿真软件进行设计所带来的耗时长、计算机资源消耗大等问题，为螺旋线行波管能量耦合器的快速高效设计提供了一种行之有效的方法。

附图说明

图1为能量耦合器示意图。

图2为螺旋线行波管同轴能量耦合器结构示意图。

图3为螺旋线行波管同轴能量耦合器设计流程。

图4同轴线内导体与螺旋线采用长方体连接体连接示意图。

图5同轴线内导体与螺旋线采用圆弧段连接体连接示意图。

图6设计过渡连接段3的仿真模型示意图。

图7典型同轴窗结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明提供了一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1、根据螺旋线行波管的工作频率范围确定同轴能量耦合器的频率范围以及性能指标。

一般而言，同轴能量耦合器的频率范围应该大于等于螺旋线行波管的工作频率范围。能量耦合器的性能可以由驻波频率特性和反射频率特性来描述。

驻波频率特性可由电压驻波比ρ表征，反射频率特性可由反射系数|Γ|表征。电压驻波比ρ和反射系数|Γ|均为频率的函数，可以由三维电磁仿真软件模拟得到。电压驻波比ρ和反射系数|Γ|满足关系式(1)：

$\left|\mathrm{\Γ}\right|=\frac{\mathrm{\ρ}-1}{\mathrm{\ρ}+1}---\left(1\right)$

电压驻波比ρ≥1，反射系数0≤|Γ|≤1。以分贝为单位，反射系数为20log₁₀|Γ|。

一般而言，要求设计的同轴能量耦合器在要求的频率范围内电压驻波比ρ小于1.5，反射系数|Γ|小于-14dB。

S2、根据同轴能量耦合器的频率范围和性能指标，利用三维电磁仿真软件仿真设计过渡连接段3，并获得过渡连接段端口输入阻抗的估计值。

过渡连接段3包括同轴线内导体与螺旋线的连接段以及螺旋线端部螺距拉松段，其设计主要是进行螺旋线端部螺距拉松渐变，以及调整同轴线内导体与螺旋线的连接方式。

螺旋线高频系统的特性阻抗Z_0h通常比较高，为100-200欧姆，且低频端阻抗大，高频段阻抗小。而管外同轴线的特性阻抗Z₀通常为50欧姆，且不随频率变化。因此，为了设计宽带的能量耦合器，需要降低螺旋线的输入阻抗，且使之随频率的变化比较弱。螺旋线端部螺距拉松渐变是方便而常用的一种方法。从工艺重复性考虑，拉松圈数不宜太多(一般不大于三圈)，且经验表明，如果低频段驻波比不好，则应拉得更松(最后一圈螺距更大)。

同轴线内导体与螺旋线的连接可以采用长方体连接体进行焊接连接(见图4)，或者采用圆弧连接体焊接连接(见图5)。连接方式的选择在一定程度上会影响同轴能量耦合器的性能。

利用三维电磁仿真软件，建立过渡连接段3的仿真模型，见图6。其中，4为输入端口，用来馈入信号。夹持杆6和螺旋线7构成了螺旋线高频系统，其中螺旋线左端一至四个螺距通常进行拉松，达到调整阻抗匹配的目的。衰减器8是用来模拟真实螺旋线行波管中夹持杆表面的蒸碳，用以吸收经过螺旋线高频系统向右传输的电磁波，使得输入端口的反射主要来自同轴线与过渡连接段之间的反射。图6中的同轴线5用来仿真图2中过渡连接段3的输入阻抗。仿真时，可以先固定同轴线内导体半径，然后对同轴线外导体半径进行扫描，获得最佳的传输特性。判断此最佳传输特性是否满足同轴耦合器的设计指标。如果满足，则进入下一步骤。如果不满足，则调整螺旋线端部螺距拉松渐变或同轴线内导体与螺旋线的连接方式。重复上述过程，直到获得满足设计指标要求的过渡连接段3。

从阻抗匹配的角度来看，只有同轴线的特性阻抗接近过渡连接段3的输入阻抗的条件下，输入端口的反射性能才能达到最佳。因此，可以在获得满足设计指标要求的过渡连接段3后，将对应同轴线的特性阻抗作为过渡连接段3的输入阻抗，并将此作为步骤3设计的阻抗变换器的负载阻抗。

S3、将步骤S2获得的过渡连接段端口输入阻抗估计值作为负载阻抗，设计阻抗变换器2，实现管外同轴线与负载阻抗之间的阻抗匹配和电磁信号的低反射传输。

将步骤S2获得的过渡连接段端口输入阻抗估计值作为负载阻抗Z_L，设计阻抗变换器2，实现管外同轴线特性阻抗Z₀与负载阻抗Z_L之间的阻抗匹配。

阻抗变换器可采用多级阻抗变换器或阻抗渐变线。多级阻抗变换器又分为最大平坦型和切比雪夫型。选择合适的阻抗变换器类型，使之满足所需工作频率范围和要求的传输特性，同时使阻抗变换器的长度尽可能短。

在微波技术中，阻抗变换器的设计有非常成熟的理论和方法，这里就不再赘述。

S4、根据能量耦合器的频率范围和同轴窗的设计指标，设计螺旋线行波管同轴窗1。

同轴窗的作用主要有两个。一个是实现管外同轴线的大气环境与管内的高真空环境相隔离。另一个就是让电磁信号尽量无反射和低损耗的通过。一般而言，要求设计的同轴窗在要求的频率范围内驻波系数小于1.1，反射系数小于-26.8dB。

图7给出了一种典型的同轴窗结构。其中r₁,r₂分别为管外同轴线的内导体半径和外导体半径，Z_e1为管外同轴线的特性阻抗。t为陶瓷窗片的厚度。常用的陶瓷窗片材料主要有氧化铍、蓝宝石、氮化硼、金刚石等，可以根据已有条件进行选择。

对这种典型同轴窗，可以采用等效电路模型进行初始设计，并结合三维电磁仿真软件进行仿真优化，获得满足性能指标的窗片半径r₃和间隙L。具体设计方法可以参看专利“一种宽带同轴窗的设计方法”，这里不再赘述。

S5、结合管外同轴线尺寸，以及螺旋线行波管对同轴线内外导体半径的尺寸要求，调整阻抗变换器2各段同轴线的内外半径，实现各段同轴线的特性阻抗。

理论上，如果没有尺寸和重量的限制，采用多级阻抗变换器或足够长的阻抗渐变线可以实现任意带宽内电压驻波比趋近于一。但是，作为螺旋线行波管系统的一个部分，同轴能量耦合器的设计除了带宽和电压驻波比的要求外，往往还受到其他尺寸上的限制。

首先，由于同轴匹配段必须径向穿过周期永磁聚焦系统，因此其外直径最好不大于一块磁环的厚度。外导体的厚度以薄一些为好，以不难加工为原则，一般在0.2-0.3mm。

其次，管外同轴线通常为50欧姆标准同轴线，其内导体半径和外导体半径已经确定。

因此，在确定实现阻抗变换器各级阻抗的同轴段尺寸时，应该在实现各段同轴线特定特性阻抗的基础上，满足外径不大于一块磁环的厚度，并与管外同轴线相连接时，尽量避免或减少结构尺寸的突变。

为了实现如上目的，以采用多级阻抗变换器为例，可以先判断管外标准同轴线的外导体半径是否小于一块磁环的厚度。如果小于，那么可以保持同轴外导体半径不变，改变内导体半径实现各级阻抗变换器的特性阻抗。如果大于，那么需要调整靠近磁环的各级阻抗变换器的外导体尺寸和内导体尺寸，使之满足特性阻抗和外导体半径的要求。对于靠近管外同轴线的各级阻抗变换器，尽量避免尺寸的突变，以及由此引入的附加反射。

S6、利用三维电磁仿真软件建立同轴窗、阻抗变换器、负载同轴线的仿真模型，并对同轴窗和阻抗变换器进行小范围优化，使之满足指定性能指标。

对多级阻抗变换器，对步骤S3设计的阻抗变换器只是得到各级的特性阻抗。用一定尺寸内外导体半径的同轴线实现阻抗变换器时，不可避免会因为结构尺寸的突变引入反射。特别是，当内外导体尺寸收到磁环厚度等因素制约必须调整，导致内外导体半径同时突变的情形。因此，有必要对同轴窗和阻抗变换器的性能进行进一步仿真验证和优化。

建立同轴窗、阻抗变换器和负载同轴线的仿真模型，利用三维电磁仿真软件分析其传输特性。这里的负载同轴线是用一段同轴线来说实现负载的特性阻抗。如果仿真得到的传输特性不满足指定性能指标，则对同轴窗和阻抗变换器进行小范围优化，直至满足指定性能指标。

一般而言，要求同轴窗和阻抗变换器的整体结构在要求的频率范围内电压驻波比ρ小于1.2，反射系数|Γ|小于-20dB。

S7、利用三维电磁仿真软件将包含同轴窗1、阻抗变换器2、过渡连接段3和螺旋线高频系统的完整结构进行建模仿真，必要时对同轴窗和阻抗变换器进行小范围内扫描和优化，获得满足性能要求的螺旋线行波管同轴能量耦合器。

通过前面的步骤，分别设计了过渡连接段、阻抗变换器和同轴窗。为了验证经此设计的螺旋线行波管同轴能量耦合器的性能，利用三维电磁仿真软件将包含同轴窗1、阻抗变换器2和过渡连接段3的能量耦合器与螺旋线高频系统进行完整建模和仿真。具体的仿真设置与过程为本领域熟知的常识，这里不在赘述。

仿真获得输入端口反射系数的频率特性，判断是否符合能量耦合器的性能指标。如果符合，则完成设计。如果不满足，则对同轴窗和阻抗变换器进行局部小范围内扫描和优化，最终获得满足性能要求的同轴能量耦合器。

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。

Claims (2)

1.一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法，包括以下步骤：

S1、确定同轴能量耦合器的频率范围以及性能指标；

S2、根据同轴能量耦合器的频率范围和性能指标，利用三维电磁仿真软件设计过渡连接段，并获得过渡连接段端口输入阻抗的估计值；

S3、将步骤S2获得的过渡连接段端口输入阻抗估计值作为负载阻抗，设计阻抗变换器，实现管外同轴线与负载阻抗之间的阻抗匹配和电磁信号的低反射传输；

S4、根据能量耦合器的频率范围和同轴窗的设计指标，设计螺旋线行波管同轴窗；

S5、保持阻抗变换器各段同轴线的特性阻抗不变，结合管外同轴线的尺寸，以及螺旋线行波管对同轴线内外导体半径的尺寸要求，调整阻抗变换器各段同轴线的内外半径；

S6、利用三维电磁仿真软件建立同轴窗、阻抗变换器、负载同轴线的仿真模型，并对同轴窗和阻抗变换器进行小范围优化，使之满足指定性能指标；

S7、利用三维电磁仿真软件将包含同轴窗、阻抗变换器、过渡连接段和螺旋线高频系统的完整结构进行建模仿真，对同轴窗和阻抗变换器进行少量扫描优化，获得满足性能要求的螺旋线行波管同轴能量耦合器。

2.如权利要求1所述的一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法，其特征在于：S2中设计过渡连接段的步骤为：

首先，建立过渡连接段的仿真模型，采用同轴线作为过渡连接段的输入阻抗；

然后，固定同轴线内导体半径，对同轴线外导体半径进行扫描，获得最佳的传输特性；判断此最佳传输特性是否满足同轴耦合器的设计指标；如果满足，则进入下一步骤；如果不满足，则调整螺旋线端部螺距拉松渐变或同轴线内导体与螺旋线的连接方式；

重复上述过程，直到获得满足设计指标要求的过渡连接段。