CN106898533B - 一种基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空间行波管非线性技术领域，具体为一种基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法。本发明是通过调节互作用第一段螺旋线内径Ra的大小来控制电子注与电磁波的同步偏差，使得互作用第一段相对相位角在‑50度左右，这样以牺牲少量输出功率为代价，使得群时延被大大抑制，其波动周期大大减少，波动幅度大大降低。本发明改善了电磁波与电子注的同步程度，进而大大改善电子注的群聚状态，优化后群时延得到明显抑制，其波动幅度和波动周期明显减小，主要针对用于通信的空间行波管。

Description

一种基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法
技术领域
本发明属于空间行波管非线性技术领域，具体为一种基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法。
背景技术
空间行波管(Space-borne TWT)是广泛应用于卫星和航天器的转发器、数据传输系统、雷达与电子对抗发射机等的末级功率放大器。随着我国航天事业的飞速发展，对空间行波管放大器的研制和生产提出了非常迫切的需求。
然而空间行波管放大器中的各项非线性特性会直接影响卫星和航天器的整体性能，其中群时延影响卫星通信的误码率、导航系统的时间同步精度以及伪测距精度，这是因为行波管是一个复杂的色散系统，其非线性注波互作用过程会产生不同频率信号相位不一致的群时延现象。但是现有技术中行波管群时延的抑制研究仍是一片空白，其产生机理和抑制方法是亟待解决的问题。因此非常有必要研究行波管中群时延的抑制方法。其中群时延的定义式为：
其中，τ是群时延，Φ是场相位，f是频率。
发明内容
针对上述存在问题或不足，在保证整个频率带宽范围内输出功率大于用户指标的前提下，本发明提供了一种基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法。
本发明在保证功率满足用户指标的前提下，提出一种群时延抑制方案，具体如下：
步骤1、运用微波管模拟套装(MTSS)对空间行波管进行仿真，得出其初始的输出功率和群时延；
步骤2、逐渐减小互作用第一段的螺旋线内径(Ra)，每次以0.001mm≤ΔRa≤0.1mm递减，Ra减至当互作用第一段相对相位角在[-40deg,-60deg]之间，并满足饱和输出功率大于150W时，记录每次Ra递减得到的功率、互作用第一段相对相位角以及群时延；
步骤3、挑选出步骤2记录的群时延最小的点，并记录该Ra下的输出功率和群时延。
本发明在保证整个频带范围内输出功率满足用户指标的前提下(>150W)，利用MTSS三维计算对螺旋线内径Ra进行仿真，通过减小螺旋线内径Ra可以改变色散曲线的相速且对色散平坦度几乎没有影响，使得电磁波的相速与电子的速度更加接近，这样便缩小了电磁波与电子注的同步偏差(速度差)。同时当互作用第一段相对相位角(相对相位角是场增加方向与场方向夹角的物理量，表征场增加的快慢，可以直接在MTSS软件中获得)在[-40deg,-60deg]时，电子注受到电磁波较温和的速度调制和密度调制，此时将形成群聚状态更佳的电子注，电子注的非线性特性也将明显好于螺旋线内径Ra优化前的电子注。通过这种方法改善了电磁波与电子注的同步程度，进而大大改善电子注的群聚状态，优化后群时延得到明显抑制，其波动幅度和波动周期明显减小。
本发明是通过调节互作用第一段螺旋线内径Ra的大小来控制电子注与电磁波的同步偏差，使得互作用第一段相对相位角在-50度左右，这样以牺牲少量输出功率为代价，使得群时延被大大抑制，其波动周期大大减少，波动幅度大大降低。主要针对用于通信的空间行波管。
综上所述，本发明改善了电磁波与电子注的同步程度，进而大大改善电子注的群聚状态，优化后群时延得到明显抑制，其波动幅度和波动周期明显减小。
附图说明
图1是无翼片矩形夹持杆高频结构图；
图2是正跳变负渐变的互作用螺距分布图；
图3是输出功率随轴分布图；
图4是初始群时延曲线；
图5是螺旋线内径Ra优化前后，相对相位角随轴分布曲线对比图；
图6是螺旋线内径Ra优化前后，功率扫描分布曲线对比图；
图7是螺旋线内径Ra优化前后，群时延扫描分布曲线对比图。
具体实施方式
下面以频率范围为11GHz-11.5GHz的Ku波段螺旋线行波管为例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
针对11GHz-11.5GHz的Ku波段带螺旋线行波管，对该空间行波管进行群时延抑制仿真，首先规定用户指标要求整个频率范围内的最小输出功率大于150W。
步骤1、运用MTSS三维计算该空间行波管进行仿真，得出其初始的输出功率和群时延；
如图1和图2所示，采用Ku波段带螺旋线行波管，其高频结构采用无翼片矩形夹持杆，互作用结构采用正跳变负渐变螺距分布。在MTSS中可以直接得到该空间行波管的初始输出功率和群时延，如图3和图4。其中初始群时延为0.512ns。
步骤2、减小螺旋线内径Ra，具体为把螺旋线内径Ra从0.5mm减小到0.44mm。
利用MTSS软件的三维计算对互作用第一段螺旋线内径Ra进行扫描优化。以ΔRa＝0.01mm逐次减小第一段螺旋线内径Ra，发现互作用第一段螺旋线内径Ra＝0.44mm时，互作用第一段的相对相位角为-50度(见图5)，频带范围内最小饱和输出功率为164W(>150W的用户指标)(见图6)。减小螺旋线内径Ra不但对输出功率的影响不大，而且使得群时延由0.512ns降到0.245ns，即群时延抑制量为0.267ns，群时延的波动周期由7个降低为0个，群时延曲线近似为直线段(见图7)。
综上所述，本实施例以一支11GHz-11.5GHz螺旋线行波管为例，在保证功率满足用户指标的前提下，提出群时延抑制方案，即把互作用第一段螺旋线内径Ra从0.5mm减小到0.44mm。由此说明本发明可以有效的抑制群时延失真，群时延的平均值得到降低的同时，群时延的波动周期和波动幅度也大幅减小。但从实施例中可以看出，针对不同频段的螺旋线行波管，只要在保证用户指标满足要求的前提下，螺旋线内径的具体尺寸能够在本发明方案的基础上通过优化得到。

Claims (3)

1.一种基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法，包括以下步骤：
步骤1、运用微波管模拟套装(MTSS)对空间行波管进行仿真，得出其初始的输出功率和群时延；
步骤2、逐渐减小互作用第一段的螺旋线内径Ra，每次以0.001mm≤ΔRa≤0.1mm递减；Ra减至当互作用第一段相对相位角在-40deg与-60deg之间，并满足饱和输出功率大于150W时，记录每次Ra递减得到的功率、互作用第一段相对相位角以及群时延；
步骤3、挑选出步骤2记录的群时延最小的点，并记录该Ra下的输出功率和群时延。
2.如权利要求1所述基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法，其特征在于：所述空间行波管为用于通信的空间行波管。
3.如权利要求2所述基于螺旋线内径调整的空间行波管群时延的抑制方法，其特征在于：所述用于通信的空间行波管为11GHz-11.5GHz的Ku波段空间行波管。
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