行波管的注-波互作用模拟与相位计算
螺旋线行波管电子效率改善的数值模拟
角 度 进 行 了讨 论 。设 计并 加 工 了 一 支采 用 双跳 变 结 构 的螺 旋 线 行 波 管 ， 测 结 果 表 明 ： 用 双 跳 变 结 构 后 可 将 实 采
不 少学者 采用 解 析理论 的方 法对 正负 跳变做 了研究 ［ ］ 所 用 的物 理 模 型 大都 是 罗埃 的大 信 号 解 析模 型 。 １， 解 析理 论的方 法 引入 了较多 的简 化和 近似 ， 计算 误 差大 。本 文采用 大 型商用 软件模 拟 仿 真 的方 法来 研 究 正一 其
析理 论方法 因 引入较 多 的简化 和近 似而使 误差 大 ， 实验法 又 耗 费 大量 的 财力 和物 力 。随 着 计算 机 速 度 和 商 用
仿 真 软件 的发展 ， 采用 大 型商用 仿真 软件对 行 波管进 行模 拟 仿 真 已成 为 国 内外学 者 研究 的一 个 热 点 。本 文采 用 ＨＦ Ｓ电磁 仿真 软件 来计 算慢 波系统 的 高频特 性 ， ＭＡＧＩ 电磁 Ｐ Ｃ模 拟软件来 计 算行 波 管 的注一 Ｓ 用 Ｃ全 Ｉ 波互 作 用 。 同解 析理论 法不 同， 真 软件不 是 解经过 简化 和近 似 的解析 方程 ， 仿 而是 直接求 解 最原 始 的麦克 斯 韦方程 组 和带 电粒 子 的动力 学方程 组 ， 二者相 互 自洽 ， 求解 结果 精度 高 。 其 慢 波系 统 中行 波纵 向传播 的相速 和频率 厂的关 系称 为 色散 特性 ， 它给 出了电磁 波在工 作 频率 范 围 内相
能进 一步增 加 ， 以采 用 色散跳 变 技术人 为 改变 电磁波 的相位 传播 速 度 ， 可 以使 电磁波能 持续 从 电子 注 中获取 能
矩形螺旋线行波管注-波互作用3维模拟
型， 用导 电率 渐变 的 电阻负 载代 替输 人输 出同轴 线 ， 同时设 置适 当 的衰减 器 ， 有效 减少 了反 射 和 自激 震荡 ， 完成
路集 成 ， 实现 大规模 批 量生 产 ， 且可 靠性 高 ， 本低 。同时 ， 面结 构 的 电路 一 般 与带 状 电子束 作 用 ， 状 电子 成 平 带
束具 有较 低 的空 间电荷 效应 、 功率 等优 点 ， 高 目前 已成 为真 空 电子学 领域 内的另一 个研 究 热点 。
传 统 的 圆横截 面螺 旋慢 波线 是行 波 管 （ ＴｗＴ） 中一 种非 常经 典 的慢波 结 构 一但 圆 螺旋线 与 圆形 或 环形 电 ， 子 注互作 用 ， 与 ＭＥ 且 ＭＳ技术 不兼 容 ， 以必须 寻求 可 与带 状 注互 作 用 的新 型 慢波 电路 。 由圆螺 旋 线 演 变来 所
计 了 电导 率 线 性 渐 变 的 电 阻耦 合 器 代 替 同轴 输 入 输 出 结 构 来 减 少 反 射 ， 除 自激 震 荡 。仿 真 结 果 表 明 ： 形 消 矩
螺 旋 线 ＴｗＴ模 型 能 够 进 行 有 效 的注 一 互 作 用 ， 全 可 以 反 映 管 内互 作 用 的 非 线 性 本 质 ， 明 了模 型 设 计 的 波 完 证 合 理 性 ， 对 影 响 注一 互 作 用 的一 些 重 要 参 量 进 行 了 讨 论 。 设 计 的 ｘ波 段 ＴｗＴ 可 达 到 的 指 标 为 ： 作 频 率 ８ 并 波 工
矩 形 螺 旋 线 行 波 管 注一 互 作 用 ３维 模 拟 波
太赫兹波的产生
2.2 基于电子学的太赫兹辐射源基于电子学的太赫兹辐射源包括微型真空电子器件、相对论性电子器件、半导体激光器等。
2.2.1 真空电子器件采用先进的微细加工技术，如LIGA技术（LIGA是采用X射线刻蚀和电铸相结合的技术）、MEMS（微电子机械系统）加工技术等，将固态加工技术引入到真空电子技术领域之中，可以制造出能作为太赫兹辐射源的微型真空电子器件（μVED）。
这些器件克服了普通三、四极管的渡越时间效应，而且如果利用微波管分布作用原理，就可使微波管的工作频率达到太赫兹频段，成为一种非常具有应用前景的太赫兹辐射源。
这类太赫兹辐射源有纳米行波管及其阵列、返波振荡器、纳米速调管及其阵列、回旋管、自由电子激光器、相对电子注或等离子体电子器件等（见图2-11），具有噪声低、增益高、效率高、体积小、重量轻、性能稳定等特点。
但是，它们在某些方面也存在着一些问题，如射频窗口、波导元件、磁聚焦问题、阴极和电子枪及器件的装配等，而这些问题又直接限制了微型真空电子器件的性能指标。
目前，在太赫兹频段对于微型真空电子器件的研究还处于研究阶段，它将是一种非常具有应用前景的太赫兹真空辐射源。
图2-11 真空电子学太赫兹源的功率与频率1. 行波管行波管（Traveling Wave Tube ，TWT）是一种基于电子注与行波场之间相互作用的行波型器件，其优点是：频带宽，增益大，寿命长，工作稳定可靠。
行波的种类很多，根据外加磁场的形成可以将其分为具有纵向（沿电子流方向）磁场的“O”型行波管和具有横向磁场的“M”型行波管。
行波管是唯一能将大功率与宽频带等微波管所具有的优点有效结合的微波管器件。
而在这里仅介绍“O”型行波管。
图2-12 行波管结构原理图行波管是利用电子流与沿慢波系统行进的电磁波间的连续互相作用而放大超高频（微波）电磁波的一种微波电子管。
它的一种典型结构如图2-12所示，主要有以下几个部分组成：1)电子枪，包括阴极、加速极；2)微波结构，包括慢波系统、输入、输出的微波结构；3)收集极；4)聚焦磁场。
X波段螺旋线行波管高效率的研究
•理论与设计•X波段螺旋线行波管高效率的研究周忠正，曹绅，崔建玲，常田颖(北京真空电子技术研究所，北京100015"摘要：为实现行波管总效率的提高，通过试验及模拟仿真等手段对行波管互作用效率及收集极效率的提升进行了分析研究&通过对螺旋线进行螺距非均匀分布及表面覆膜处理实现了互作用效率的提升；通过采用多级压降收集极并在收集极内收出口处设计使用了“挡板结构，实现了电子注能量回收效率的提升以及对返流现象的抑制，并根据试验及仿真计算结果成功试制出总效率达到40%以上的X波段螺旋线行波管&关键词：行波管；高效率;互作用效率；收集极效率中图分类号：TN124文献标识码：A文章编号:1002-8935(2020)06-0045-04doi：10.16540/11-2485/tn.2020.06.10Research on High-Efficiency for X-Band HelixTraveling-Wave TubesZHOU Zhong-zheng#CAO Shen,CUI Jian-ling#CHANG Tian-ying(.Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing100015,China"Abstract:In order to improve the efficiency of traveling wave tubes(TWTs),researches on the en-hancemen ofconversione f iciencyandco l ec ore f iciencyarecarriedou hroughexperimen sandsimula-ion.Unevenpi chdis ribu ionandfilmcoa ingofhelixesareused oimprove heconversione f iciency# and mul is agedepressedco l ec orandba f les ruc ureareused oimprove heenergyrecoverye f iciencyof elec roninjec ionandinhibi elec ronregurgi a ion.Basedon heresearches#X-bandhelixTWTswihef-ficiency more han40%aredeveloped.Keywords:Traveling-wave t ube,High-efficiency,Conversion efficiency,Collec t o r efficiency行波管自20世纪中期诞生以来凭借其功率大%频带宽%点，在雷达、电子通信的应用⑴。
相对论行波管
相对论行波管1. 介绍相对论行波管是一种重要的电子器件，用于产生和放大微波信号。
相对论行波管的原理基于相对论效应和电磁波在晶格中的行进方式。
本文将详细介绍相对论行波管的结构、原理、工作过程和应用。
2. 结构相对论行波管主要由电子枪、电子透镜、螺旋线和聚束系统组成。
2.1 电子枪电子枪是相对论行波管中的电子发射器。
它由发射阴极和加速电极组成。
发射阴极通常采用钨材料，通过加热发射出电子。
加速电极通过给电子施加电场加速电子的速度。
2.2 电子透镜电子透镜用于聚束电子束，使其能够在螺旋线中稳定地传播。
电子透镜可以通过调节聚束磁场的强弱来实现。
2.3 螺旋线螺旋线是相对论行波管的核心部件。
它由金属导线制成，呈螺旋状。
电子束在螺旋线中沿着螺旋线轴向行进，并同时释放出微波信号。
2.4 聚束系统聚束系统用于将微波信号从螺旋线中聚集起来，并传输到输出端口。
聚束系统通常是一系列的磁场和电场组成，通过调节其强弱和分布来实现微波信号的聚束和传输。
3. 原理相对论行波管的原理基于相对论效应和电磁波在晶格中的行进方式。
当电子束在螺旋线中运动时，由于相对论效应的作用，电子束的质量增加，速度减小。
这使得电子束和晶格之间的相互作用变得更加密切。
当电子束的速度接近光速时，其质量增加到无穷大，所以电子束无法继续加速，也无法通过晶格。
在螺旋线中，电子束它释放出微波信号。
这是因为当电子束和晶格相互作用时，部分电子的运动速度会发生改变，产生相应的电场和磁场变化。
这些变化形成了微小的电磁波，并随着电子束的运动向前传播。
4. 工作过程相对论行波管的工作过程可以分为三个阶段：注入阶段、放大阶段和输出阶段。
4.1 注入阶段在注入阶段，电子枪发射出电子束，并通过电子透镜将其聚束。
聚焦后的电子束进入螺旋线，并开始在螺旋线中沿着轴向运动。
4.2 放大阶段在螺旋线中，电子束与晶格相互作用，释放出微波信号。
这些微波信号在螺旋线中继续传播，并逐渐增强。
这是因为电子束不断与晶格相互作用，产生更多的微波信号，并受到聚束系统的聚集。
行波管相位一致性的理论研究与计算机模拟
第13卷 第4期强激光与粒子束V o l .13,N o .4 2001年7月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Ju l .,2001 文章编号: 100124322(2001)0420479206行波管相位一致性的理论研究与计算机模拟①李 斌, 杨中海(电子科技大学高能电子学研究所,四川成都610054) 摘 要: 采用行波管一维大信号非线性理论,建立了高频参数和外部工作状况零散模型,对影响增益、相位频率特性的主要因素进行了理论分析和数值计算,分析了如何合理地选择相位一致行波管工作点,为新近研制的相位一致行波管提供了计算机模拟并得到了很有价值的计算结果。
关键词: 行波管; 相位一致性; CAD ; 零散; 计算机模拟 中图分类号: TN 124.2 文献标识码: A 在电子对抗中相控阵雷达和多波束干扰机对功率行波管的性能提出了更高的要求。
由同一振荡源出来的信号经分路器分到各发射单元,移相后各用一只行波管放大,使其输出功率达到50～100W 。
这种情况下,如果各管相位不一致将导致波束形状和指向的混乱,并且使功率合成的效率下降。
增益不一致也会影响合成效果。
一般要求相位不一致性优于±20°,增益不一致性优于±1.5dB 。
此外,行波管是以几支为一组共用一个电源供电的,这就要求行波管的各电极工作电压必须完全一致[1,2]。
行波管生产中零件尺寸零散是不可避免的,而且在目前行波管生产和装配过程中人工操作仍然是必须的,这必然会加剧各管之间尺寸的不一致性。
因此,对相位一致行波管各零件尺寸对性能的影响进行研究,以确定尺寸变化对管子性能不同程度的影响[3],及采用不同的增益、相位补偿方法将是一个重大而有实际意义的研究课题[4]。
本文采用行波管一维大信号非线性理论[1,2,5,6],建立了高频参数和外部工作状况零散模型,计算了宽带大功率行波管的增益2频率特性曲线和相位2频率特性曲线。
一种高效率多注毫米波行波管的设计模拟
１ 单 腔 冷 测 特 性
慢 波 系统 是行 波 管 的 重要 组 成部 分 ， 最 大 特 其 点是 电磁 波在 其 中传 播 的 相速 度 远 小 于 光 速 ， 这对 降低 工作 电压有 很 大帮助 。慢 波 系统对行 波 管 的性 能起 着决 定性 的作 用 ， 因此 设 计 合适 的慢 波 系 统 十
ＹＡＮＧ — ａ Ｌｉ ，ＹＡＮＧ ｕ ｎ Ｊ ｎ，ＤＥ ＮＧ ａ ｇ ｓ ｅ ｇ，Ｌ Ｇｕ — ｉｎ Ｇｕ ｎ —ｈ ｎ Ｖ ｏ ｑａ ｇ
（ ｆ ｉ ｎｖ ｒｉ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ａ ｅ ｆ Ｐ ｏｏ ｌ ｔｉ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｈｅ ｅ Ｕ ｉ ｅｓ ｙ ｏ ｅｈ ｏｏ ｙ Ａｃ ｄ ｍｅｏ ｈ ｔｅｅ ｒｃ ｅｈ ｏｏ ｙ，Ｈｅ ｅ ２ ０ ０ ， ｈｎ ） ｔ ｃ ｆ ｉ ３ ０ ９ Ｃ ｉａ
合 阻抗最 高 ， 近 Ｙ 轴 的 １ ２５注 的耦合 阻抗 要 高 靠 ，，
于靠近 Ｘ 轴 的 ３ ４注 ， 为 ２注更 接 近 于耦 合 槽 ， ， 因 使 得 ２注耦 合阻抗 小 于 ５注 ； 样 ３注更 接 近 耦合 同 槽， 使得 ３注耦合 阻抗 小于 ４注 。 ７注行 波 管 的慢 波 系统 Ｙ 向截 图如 图 ４所示 ， Ｚ
图 ２所 示 。
８ ０
Ｃ ６ ； ０
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３ ｌ
３ ２
３ ３
３ ４
３ ５
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３ ７
ｆＧ ／ Ｈｚ
，பைடு நூலகம்
图 ３ 各 电 子 注 的 耦 合 阻 抗
输入 输出
图 １ 单 周 期 耦 合 腔 结 构
图 ４ ７注 慢 波 系 统 二 维 结 构 图
行波管一维非线性单频注波互作用理论与计算机模拟
【 电子与 自动化 】
行 波 管一 维 非 线性 单频 注波 互 作 用 理 论 与 计 算 机模 拟
邓 壮， 许 睿， 黄 震
４０６ ） ００５
： ＾ ＝ ｋ ＾＇ ＝ ＾ ‘ ０＝ ０ ． ： ． ０
展起来的行波管非线性理论（ 又称为大信号理论 ） 从本质上讲可分为 ２ ， 类 一类是以 ＪＥ 罗埃为代表的等 ．．
效线路方法［ ； １ 另一类是场论法， 以爱因 斯坦的波导激励方法为其代裂 ． 尽管国内 外学者对行波管非线
性理论进行 了深入的研究 ， 但是由于注波互作用的物理过程非常复杂， 以离实际的设计还有一定 的距 所
（ 重庆邮 电大学 应用技术学院 ， 重庆
＾． ｐ ｄ ， ｐ ６： ｐ ｄ ＾ ‘： ＾ ： ｃ ‘＝ ＾ ：
摘要 ： 用场论 的方法建立场方程 ， 圆盘模 型等效 电子注建 立 了运动方 程和 相位方 程 ， 对此非 用 并 线性 注波互作用 工作 方程组进行 了计算机模 拟和数 值计算 ， 出了某特定 行波管 的输 出功率 和 求 增益值 ， 最后验证 了方程的正确性 ． 关 键 词： 行波管 ； 注波互作用 ； 非线性 ； 大信号 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ １ ｏ ２ （ｏ ７￣ 一０５ １７ 一 ９４２ｏ １ ０４—０ ５ 中图分 类号 ：Ｉ ２ Ｔ Ｗ２
Ｋｅ ｒ ｓ Ｔ ｙ ｗｏ ｄ ： ＷＴ： ｅｌ － ａ ｅ ｉｔｒｃｉｎ； ｏ ｉ ｅ ｒ ｌｒｅ ｓｇ ａ ｂ ｌ ｎ ｗ ｖ ｎ ｅａ ｔ ／ ｏ ｎ ｎ ｎ ａ ；ａｇ ｉｎ ｌ ｌ
在行波管中 ， 电子注与电磁波的相互作用过程 ， 本质上是一种非线性过程 ． ２ 世纪 ５ 年代初期发 从 ０ ｏ
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Ｂｅ ｒ ． ｖ ｎ ｅ ａ ｔｏ ｉ ｕ ａ ｉｎ ａ ｄ Ｐｈ ｓ ｌｕ ａ ｉ ｎ ａ ｗａ ｅ Ｉ ｔ ｒ ｃｉ ｎ Ｓ ｍ ｌ ｔｏ ｎ ａ ｅ Ｃａｃ ｌｔｏ ｎ
ｆ ｒ Ｔｒ ｖ ｌｎ ａ ｅ Ｔｕ ｏ ａ ｅｉ ｇ Ｗ ｖ ｂｅ
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行 波管 开展模 拟研 究 ， 益模 拟结 果 与 实测 数据 的偏 差 小于 ６ １ 。 增 ．％ 关键 词 ： 波管 ； 行 时域模 拟 ； 限差 分方 法 ； 子模 拟技 术 ； 波互作 用 有 粒 注一 中图分 类号 ：Ｎ１４ Ｔ ２ 文 章编 号 ：０ ５ ９ ３ （ ０ １ ０ － ５ ３ ０ １０ — ８ ０ ２ １ ） ４ ０ ４ — ４
ｔｎ ｓ ｓｅ ｓ ＴａｅｉｇＷａｅ Ｔ ｂ （ ＷＴ）ｆｓ ａｄ ｉ ｅｌ ｉ ， ｏｌ ｅｒｉ ｔ ｒ ｃｉｎ ｏ ｒｖｌ ｖ ｕ ｅ Ｔ ｎ ａｔ ｎ ｎ ｒａ ｔ — ｇ ｙ ｔｍ ｉ ｎ
ｅ ｔ ｂ ｉ ｅ ｙ ｉ ｒ ｖｎ ｈ ｙ ｅ ｌ ｓ Ｂ ｉ ｏ ｉ ｄ ｌ ａ ｄ ｔ ｋ ｎ ｈ ｉ ｔ － ｉ ｅ ｅ ｅ ｉ － ｓａ ｌ ｈ ｄ ｂ ｍｐ ｏ ｉ ｇ ｔ ｅ Ｔ ｔｐ ｏ ｓ Ｌ． ｒ ｌｕ ｎ ｍｏ ｅ ｎ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｅ－ ｆ ｒｎｃ ｔ ｓ ｌ ｎｉ ｄ ｆ ｍｅ－
第３ ５卷 第 ４期 ２１ ０ １年 ８月
南京 理 工大 学学报
Ｊｕｎｌ ｆ ａｊ ｇＵ ｉｅ ｉ ｆ ｃ ｎｅａ ｄＴ ｃｎｌｇ ｏｒａ ｏ ｎｉ ｎｖｒ ｔ ｏ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏｙ Ｎ ｎ ｓｙ ｅ
Ｖｏ ． Ｎｏ ４ １ ３５ ．
Ａ ｇ ０１ ｕ ．２ ｌ
ｓｅ ｄ ｒ ｇ ａ ｉ ｄ ｖ ｌｐ ｄ Ｔ ｒ ｕ ｈ ｒ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｐ ｏ ｒ ｍ ． ｔ ｒ Ｗ Ｔ ｉ ｓｍｕ ａ ｅ ｎ ｈ ｔａ ｙ Ｃ ｐ ｏ ｒ ｍ ｓ ｅ ｅｏ ｅ ． ｈ ｏ ｇ ｕ ｎ ｎ ｈ ｒ ｇ ａ ａ ｍａｕ ｅ Ｔ ｓ ｉ ｌ ｔｄ ａ ｄ ｔ ｅ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｒ ｃ ｎｄ ｓｍｕ ａｅ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｙ ｉ ａ ｈ ｎ ｍｅ ａ ｏ ｅ ｍ． ｖ ｎ ｅ ａ ｔｏ ｆｈ ｌｘ ｔ ａ ｔ Ｔｏ ｔａ ｋ ａ ｉ ｌｔ ｈ ｏ ｌ ｘ ｐｈ ｓｃ ｌｐ ｅ ｏ ｎ ｆｂ ａ ｗａ ｅ ｉ ｔｒ ｃ ｉｎ ｏ ｅｉ
行 波 管 的注 一 互 作 用 模 拟 与相 位计 算 波
刘 涛 ， 自成 刘濮鲲 王 ，
（． １ 中国科学院电子学研究所 ， 中国科学 院高功率微波源 与技术 重点实验室 ， 北京 １ｏ ９ ｏ １ｏ；
２ 中 国科 学 院 研 究 生 院 ， 京 １０ ４ ） ． 北 ００ ９
摘
要 ： 了对 螺 旋 线 行 波 管 注 一 互作 用这 一 复 杂 物理 现 象进 行 快 速 的 实时跟 踪 模 拟 与分 为 波
析 ， 用 Ｔ型有 耗 Ｌ Ｂｉｏｉ 型 ， 采 ． ｒｌｕｎ模 ｌ 有机 结合 时域有 限差分 方 法（ ｉｉ－ｉｅｅｃ ｉ —ｏ ａｎ Ｆｎｔ ＤｆｒｎｅＴｍｅＤ ｍ ｉ， ｅ ｆ Ｆ Ｔ 与粒子 模拟 （ａｔｌ． —ｅ ，Ｉ ） 术 ， 立 了行 波 管 的 非 线性 互 作 用 计 算体 系。在 此 Ｄ Ｄ） ＰｒｃｅＩ Ｃ ｌ ＰＣ 技 ｉ ｎ ｌ 建 基础 上 ， 用 Ｃ语 言 自主研 发 了运行稳 定 的计 算程 序 。应 用这 一研 究 成果 ， 桌 支成 熟 管型 的 采 对
（ ． ｅ ａ ｏａ ｒ ｆ ｉｈＰ ｗ ｒ ｃｏ ａｅＳ ｕｃ ｎ ｅｈ ｏｏｉ ， ｓ ｔ ｅｏ ｌ ｔ ｎｃ ， １ Ｋ ｙＬ ｂ ｒ ｏｙｏ ｇ ｏ ｅ ｒｗ ｖ ｏ ｒｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｅ Ｉ ｔｕ ｆ ｅ ｒ ｉ ｔ Ｈ Ｍｉ ｇ ｓ ｎ ｉｔ Ｅ ｃｏ ｓ Ｃ ｉ ｓ ｃｄ ｍ ｆ ｃｅｃｓ Ｂ ｉｎ ０ １０ Ｃ ｉａ ｈｎ ｅＡ ａｅ ｙｏ ｉ ｅ ， ｅ ｉｇ１０ ９ ， ｈｎ ； ｅ Ｓ ｎ ｊ ２ Ｇ ａ ｕｔ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｈｎ ｓ ｃｄ ｍ ｆ ｃ ｎｅ ， ｅ ｉｇ１０ ４ Ｃ ｉａ ． ｒｄ ａ ｎｖ ｓｙ Ｃ ｉｅｅＡ ａ ｅ ｙｏ ｉ ｃｓ Ｂ ｉｎ ０ １９， ｈｎ ） ｅ ｅ ｔ Ｓｅ ｊ
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