高效率行波管电子枪设计及其优化
行波管原理
行波管原理一、引言行波管是一种重要的微波放大器和微波功率放大器，其工作原理基于行波传输线的特性。
本文将介绍行波管的原理、结构和工作方式。
二、行波管原理行波管是一种电子器件，它利用电磁波在传输线中的传播方式进行信号放大。
行波管的原理可以简单描述为：在行波管内部，由电子枪发射出的电子束经过聚束系统聚焦成一个细小、高速的电子流，然后通过行波管中的螺旋线传输线。
在螺旋线传输线中，电子流与行波管内壁之间形成电子束与电磁波的相互作用，从而将电子流的能量转移到电磁波上。
最后，电磁波在行波管中沿着螺旋线传输线的方向传播，实现信号放大。
三、行波管的结构行波管主要由电子枪、聚束系统、螺旋线传输线和输出系统组成。
1. 电子枪：电子枪是行波管的起始部分，它负责产生一个高速、细小的电子束。
电子枪通常由阴极、阳极和网格组成。
阴极通过加热产生电子，阳极提供电子流的加速电场，网格控制电子束的发射。
2. 聚束系统：聚束系统用于将电子束聚焦成一个细小的束流，使其能够与螺旋线传输线上的电磁波相互作用。
聚束系统通常由一系列聚束磁铁组成，这些磁铁通过调节磁场的强度和方向来实现电子束的聚束。
3. 螺旋线传输线：螺旋线传输线是行波管中的关键部分，它是一种特殊的传输线，通常采用螺旋形状。
螺旋线传输线通过将电子束与电磁波相互作用来实现信号放大。
当电子束通过螺旋线传输线时，电子束的能量将转移到电磁波上，从而实现信号的放大。
4. 输出系统：输出系统用于从行波管中提取放大的信号。
输出系统通常由耦合装置和输出窗口组成。
耦合装置将放大的信号从螺旋线传输线传递到输出窗口，输出窗口则将信号从行波管中输出。
四、行波管的工作方式行波管的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 电子发射：电子枪中的阴极通过加热产生电子，这些电子被加速电场加速形成电子束。
2. 电子束聚束：电子束通过聚束系统的作用，被聚焦成一个细小的束流。
3. 电子束与电磁波相互作用：电子束进入螺旋线传输线后，与传输线内壁上的电磁波相互作用。
高效率X波段40W空间行波管的设计
高效率X波段40W空间行波管的设计
樊会明;刘柳萍;赵世柯;李莉;张淑君;苏小保
【期刊名称】《真空电子技术》
【年(卷),期】2005(000)006
【摘要】作为卫星通讯系统所用的高增益、高功率微波放大器件,行波管的效率和线性是非常重要的.本文根据卫星通讯的需要,给出了高效率X波段40 W空间行波管的设计,并成功研制出了样管.
【总页数】4页(P35-38)
【作者】樊会明;刘柳萍;赵世柯;李莉;张淑君;苏小保
【作者单位】中国科学院电子学研究所,北京,100080;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院电子学研究所,北京,100080;中国科学院电子学研究所,北京,100080;中国科学院电子学研究所,北京,100080;中国科学院电子学研究所,北京,100080;中国科学院电子学研究所,北京,100080
【正文语种】中文
【中图分类】TN124
【相关文献】
1.X波段脉冲空间行波管研制 [J], 于文杰;周保东;张新娜;韩运皓;曹雪梅;王松
2.脉冲空间行波管的高效率设计 [J], 张新娜;周保东;于文杰
3.X波段脉冲900 W空间行波管宽带高效率技术研究 [J], 刘逸群;张晓冉;董笑瑜;成红霞;刘荣荣;肖逸男;何圆圆
4.X波段螺旋线行波管高效率的研究 [J], 周忠正;曹绅;崔建玲;常田颖
5.X波段40W高效率空间行波管螺旋慢波系统的模拟优化 [J], 樊会明;苏小保因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
32_40GHz宽带大功率行波管的研究进展
32-40GHz宽带大功率行波管的研究进展王自成李海强王莉徐安玉董芳赵建东黄明光刘濮鲲（中国科学院电子学研究所，北京，100080）摘 要：报道了一种32-40GHz宽带大功率行波管的研究进展情况。
在26.5—40GHz范围内功率大于60 W，增益大于35 dB。
功率最大处电子效率大于15%。
关键词：毫米波；宽频带；螺旋线；大功率行波管The Latest Progress in the Development of a 32-40GHz Broad-bandHigh-power Traveling Wave TubeWang zi-cheng, Li Hai-qiang, Wang li, Xu An-yu, Dong Fang,Zhao Jian-dong, Huang Ming-guang, Liu Pu-kun(The Institute of Electronics, Chinese Academy of science,Beijing,100080,China) Abstract: The latest progress in the development of a 32-40GHz broad-band high-power traveling wave tube (TWT) in The Institute of Electronics, Chinese Academy of science, is reported. A TWT has been detected, which has larger than 60 W of power and larger than 35 dB gain from 32 GHz to 40 GHz. The largest electron efficiency reaches 15%.Key words：millimeter wave; wide band; helix; power TWT引 言毫米波行波管在卫星通信、星际通信、电子对抗和雷达等领域具有广泛的应用。
相速跳变优化ka波段梯形线行波管效率研究
相速跳变优化ka波段梯形线行波管效率研究近年来，随着ka波段技术的发展，ka波段梯形线行波管作为一种重要的射频系统元件，在许多应用领域发挥着重要作用，如无线电接收机、彩色电视、手机信号发射等。
然而，由于波管的结构特殊性，ka波段的梯形线行波管的效率较低，极大地影响了其应用的实用性。
为此，本文提出了一种新的优化技术相速度跳变优化，以提高ka波段梯形线行波管的效率。
基于相速度跳变优化技术，我们研究了ka波段梯形线行波管的性能特性，其中包括功率增益、驻波比、噪声系数和耗散变换特性。
首先，利用物理算法，对ka波段梯形线行波管进行结构设计，并研究了相速度衰减因子的设计对 ka段梯形线行波管性能的影响。
其次，采用数字信号处理技术，分析和优化ka波段梯形线行波管的功率频谱特性，以提高其性能特性。
最后，在ka波段梯形线行波管的模拟建模和仿真建模中，通过相速度跳变优化技术，提高ka波段梯形线行波管的效率。
从分析结果可以看出，以上研究成果表明，利用相速度跳变优化技术，有效地提高了ka波段梯形线行波管的性能，特别是提高了它的效率达到了较高水平。
这些成果可以为进一步研究ka波段梯形线行波管的高效应用提供重要参考。
本研究的主要缺点是，在ka波段的梯形线行波管的优化设计过程中，仅考虑了这一类特定ka波段梯形线行波管，没有考虑到ka波段梯形线行波管的其他性能参数，如阻抗匹配、噪声和谐波性能等，这些参数对ka波段梯形线行波管的总体性能有重要影响。
因此，为了提高ka波段梯形线行波管的性能，必须考虑 ka段梯形线行波管的所有性能参数，并进行更多全面的优化设计。
综上所述，本文提出了一种新的优化技术相速度跳变优化，以提高ka波段梯形线行波管的效率，研究表明：此方法可以有效改善ka 波段梯形线行波管的性能。
此外，为了进一步提高ka波段梯形线行波管的性能，仍需考虑其他性能参数，并进行更多全面的优化设计。
低电压高效率W波段脉冲行波管设计
综上所述，目前百瓦级 W 波段脉冲行波管工作电压均在 20 kV 左右。高工作电压很难实现整管小型化，同 时 会 增 大 整 机 中 电 源 体 积 和 质 量 。更 为 重 要 的 是 ，电 压 过 高 容 易 引 发 打 火 、漏 电 ，降 低 系 统 可 靠 性 。因 此 ，低 电 压、高效率是行波管发展的必然方向。本文设计了一种低电压 W 波段脉冲行波管：工作电压 16 kV，电流 125 mA， 6 GHz 带宽内输出功率大于 125 W，工作比 30%，总效率大于等于 25%。
国内外多家机构已成功研制出 W 波段脉冲行波管。法国 Thales 公司的 W 波段脉冲行波管，工作电压 22 kV， 电流 180 mA，在 0.5 GHz 带宽内得到百瓦输出功率[3]。美国 L3 公司的 W 波段脉冲行波管，工作电压 20.5 kV， 电流 220 mA，92~96 GHz 内输出功率大于 100 W[4-5]。国内研究单位有中国科学院电子学研究所、电子科技大学、 中电集团十二所等。中国科学院电子学研究所研制的 W 波段脉冲行波管工作电压 19.4 kV，电流 90 mA，最大输 出功率 65 W[6]。电子科技大学的 W 波段脉冲行波管工作电压 19.1 kV，电流 145 mA，94~96 GHz 频率内输出功 率大于 100 W[7]。中电集团十二所已研制出 22 kV 工作电压，170 mA 电流，6 GHz 带宽内输出功率大于 100 W 的 W 波段脉冲行波管产品。
回旋速调管中的电子枪的设计的开题报告
回旋速调管中的电子枪的设计的开题报告一、选题背景回旋速调管（Traveling Wave Tube，TWT）是一种主要用于微波通信、雷达和卫星通信的电子器件。
其核心是电子枪，主要功能为在加速电压的作用下产生高速电子束，并将其传输到微波信号管道中，从而放大微波信号。
电子枪的设计和制造质量是影响回旋速调管性能和寿命的关键因素。
二、研究目的本次研究的目的是设计一种高效、稳定、耐用的电子枪，提高回旋速调管性能和寿命，满足微波通信、雷达和卫星通信等多个领域的需求。
三、研究内容1.电子枪的基本原理及设计2.影响电子枪性能的因素分析3.电子枪模拟设计与优化4.电子枪制造工艺研究5.电子枪性能测试与评估四、研究方案1.借鉴先进的电子枪设计方案，分析其特点和优缺点；2.通过实验和仿真分析，确定合适的电子枪设计方案；3.根据设计方案，制定电子枪制造工艺流程；4.对电子枪进行性能测试和评估；5.优化电子枪设计，进一步提高其性能。
五、研究意义1.推动回旋速调管技术的发展，提高微波通信、雷达和卫星通信等领域的技术水平；2.为电子枪的设计和制造提供新的思路和方法；3.增加国内的科技创新能力，提高我国的核心竞争力。
六、预期成果1.流程化的电子枪设计方案；2.电子枪制造流程和工艺；3.电子枪性能测试数据和评估报告；4.优化后的电子枪设计方案；5.研究论文和其他相关科研成果。
七、研究计划预计需要1-2年时间完成该研究项目，具体计划如下：第一年1.收集电子枪设计方案和相关资料；2.分析电子枪的设计原理和影响因素；3.开展电子枪设计与仿真；4.制定电子枪制造工艺流程。
第二年1. 进行电子枪样机制造；2. 进行电子枪性能测试和评估；3. 优化电子枪设计。
八、参考文献1. 赵建军. 回旋速调管[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015.2. 唐久泉, 范晓晶. 高频电子器件[M]. 北京: 电子工业出版社, 2019.3. 王志刚. 微波功放器[M]. 北京: 电子工业出版社, 2018.。
小型化行波管高频电路
矩形夹持 图 1 高频结构示意图
1.05E-01
T 型夹持
70
Vp(φ L5.0，矩形夹持) Vp(φ L5.4，矩形夹持) Vp(φ L5.0,T型夹持)
60 50
1.00E-01
Koo(φ L5.0，矩形夹持) Koo(φ L5.4，矩形夹持) Koo(φ L5.0,T型夹持)
9.50E-02
40
图 3 耦合阻抗特性计算
( φ L5.0，矩形夹持) ( φ L5.4，矩形夹持) ( φ L5.0,T型夹持)
Pout (W)
100 80 60 40 20 0 2 3 f(Hz) 4 5 6
图 4 射频输出功率 111
3、 研制成果
图 5 小型化高效率行波管 表 1 行波管参数 频率 输出功率 输入功率 TWT 效率 二次谐波 高频电路长度 2～6GHz ≥120W（CW） ≤-3dBm ≥35% ≤-4dBc 230mm
经过小型化行波管高频电路研制，在现有小型化行波管的基础上，将高频电路长度由原来的 330mm 缩减到 230mm，经装管验证，行波管参数如表 1 所示。 4、 结论 小型化行波管高频电路研制，将高频电路长度由原来的 330mm 缩减到 230mm，有效促使了小型化 行波管的研制，为 S、C 波段 MPM 研制提供了强有力的技术支持，为我国现代军事电子装备和武器装 备做出杰出的贡献。 参考文献
Koo/ohm
Vc/c
9.00E-02
30 20
8.50E-02
10
8.00E-02 2.00E+09
3.00E+09
4.00E+09 f(Hz)
5.00E+09
6.00E+09
相速跳变优化ka波段梯形线行波管效率研究
相速跳变优化ka波段梯形线行波管效率研究近年来，随着ka波段梯形线行波管在微波射频（RF）和微波频段（Ku波段）的流行，它们被用于各种应用，从汽车雷达到卫星通信。
与大多数微波器件一样，梯形线行波管的设计要求在最小的成本和最少的复杂性下实现最高的可靠性和性能。
为了实现ka波段的最佳效率，工程师们需要进行精确的优化，这就是本文的重点。
本文将概述ka波段梯形线行波管的优化技术，重点关注相速跳变技术，以提高梯形线行波管的效率。
首先，本文将概述ka波段梯形线行波管的基本结构，进而讨论如何通过相速跳变技术优化梯形线行波管的效率。
其次，本文将阐述相速跳变技术的基本原理。
接着，本文将介绍如何实施相速跳变技术以改善ka波段梯形线行波管的性能。
此外，本文将提出用于衡量梯形线行波管效率的参数，以及将性能参数应用于ka波段梯形线行波管优化研究的实例。
最后，本文将介绍用于优化ka波段梯形线行波管性能的模拟测试结果。
首先，ka波段梯形线行波管是一种在汽车雷达和卫星通信中广泛使用的微波器件，并且由不同类型的结构构成，如：矩形线行波管、连接线行波管、悬线波管和装配线行波管等。
梯形线行波管的输出电压取决于输入的频率，而效率取决于频率、长度和模式匹配。
外，由于ka波段梯形线行波管的特殊结构，它存在一定的效率问题，因此必须采用有效的优化技术来最大限度地提高其效率。
接下来，本文将讨论相速跳变技术，它是一种实现梯形线行波管优化的新颖技术，它可以帮助改善ka波段梯形线行波管的效率。
通过使用特殊的非线性算法和微分方程，在不同的频率下，可以调整ka波段梯形线行波管的阻抗，以实现最佳效率。
具体来说，它可以在频率变化时调整梯形线行波管的模式匹配，以改善效率。
此外，相速跳变技术还可以用于改善梯形线行波管的频率特性，以改善性能。
接着，本文将讨论用于优化ka波段梯形线行波管性能的参数。
其中，最常用的参数是增益（Gain）和回波损耗（Return Loss）。
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论及经验修正值综合在一套计算公式中， 设计者只要给出皮尔斯会聚枪的阴极电流发射密度 ! F 、 电子注电压
［ @?$ ］ "F 、 注腰半径 # G 和注电流 $ F ， 就可以通过该方法计算得到电子枪的主要结构参数 ， 包括阴极半径 # F ， 阴极曲
率半径 % F ， 阳极孔半径 % H ， 阳极孔轴向位置 & H 及注腰位置 & I 。将该方法用于单阳极、 双阳极等电子枪几何尺 寸的初步设计 （ 把阳极孔半径和位置当作阳极头上某顶点坐标位置） ， 都能够起到很好的参考作用， 与一般采用
;I?
强
激
Hale Waihona Puke 光与粒子
束
第 %A 卷
& & 将表 % 所示电子枪初始尺寸参数用 ’789 软件仿真 计算， 结果如表 : 所示。该结果也验证了综合迭代法的 有效性， 电子轨迹如图 % 所示。
!" 建立电子注性能优化的目标函数
& & 电子枪设计中， 电子注性能的优化常常需要对各个 结构参数不断地做出调整， 进行大量的重复计算， 而结构 参数的每一次调整都会使导流系数、 注腰半径、 层流性等 性能参数发生不同程度的改变， 同时由于各个性能参数 之间没有确定的变化关系， 优化的时候需要分别予以考 虑。因此如果建立一个综合评价性能参数的目标函数以
!"#$ %& ’()*+,-. +,/0)*+-,")1 -2 +3) 14.+3)1"1 5)+3-6 图 %& 综合迭代法计算结果电子轨迹图
量化优化结果， 那么在对结构参数进行调整的时候， 可以使优化目标更加明确。 & & 导流系数、 注腰半径等参数一般根据行波管整管设计要求提出设计目标 （ 设导流系数和注腰半径的设计 ! 和 "6 ， "） 。而好的层流性即要求电子轨迹间交叉少， 各条轨迹的最小值点都 目标及实际设计结果分别为 ! 6 ， 落在一个小的轴向区间内并且在此区间内轨迹线尽可能互相平行， 因此可以用各条电子轨迹径向最小值 " # 的
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高效率行波管电子枪设计及其优化
"# 电子枪几何尺寸的综合迭代法初步设计
! ! 尽管目前计算机仿真软件得到了快速发展， 功能越来越强大， 但精确高效的仿真在很大程度上仍然依赖于 对电子枪几何尺寸初始值进行的合理选择。如果初始值选择适当， 可以在一定程度上缩短设计周期、 减少计算
［ *］ 量。综合迭代法 是 *+ 世纪 C+ 年代提出的用于设计皮尔斯会聚枪的方法， 该方法将电子枪设计时用到的理
［ ;］ 落点位置 $ # 和最小值点处轨迹函数的导数 （ !" % !$ ） # 来表征层流性 ) ) : : & ’ (" （ $% * $ # ） + ," （ !" % !$ ） # # ’% # ’%
（%）
式中： ) 为电子轨迹总数； # 指从最外层起第 # 条轨迹； (， , 为权值常数。 & & 进而可以将目标函数表示为
断地做出调整， 进行大量的重复计算。 ! ! 空间行波管的高效率、 长寿命等特性要求电子注具有好的刚性和层流性， 还要求具有大的占空比， 以及小 的阴极电流发射密度和热子损耗。一般情况下， 按照行波管整管设计要求， 给出电子枪阴极电流发射密度、 工 作电压、 阴极电流强度、 注腰半径、 注腰位置等参数的设计目标范围， 其中导流系数、 注腰半径、 注腰位置和层流 性是电子枪设计要达到的主要指标。本文针对这 $ 项指标对电子枪的设计和优化进行了探讨， 在利用综合迭 代法进行初步设计的基础上， 通过建立电子注性能目标函数对电子枪做了进一步优化。
令 6 B 6 G % 。当沿各个坐标轴方向的局部探索都轮流进行后， 这个阶段的局部探索就完成了， 这时得到第 4 阶段
（ 4） 的最好点 ! ) 。 （ 4 G %） （ 4） （ 4 G %） （ 4） （ 4 G %） （ 4 G %） （ 4） & & （=） 令! B! 如果 ! 那么移到新的位置 ! B :! D! 进行加速试探， 此时有两种 #! ， ) ， < （ 4 G %） （ 4 G %） （ 4 G %） （ 4） 比较 （ & ! ） ， 如果 （ & ! ） 的值有改进， 那么令 # B ! ， 4 B 4 G %， ! B #， 回到步骤 （:） 开 可能情况： （ /） < < （ 4 G %） （ 4 G %） （ 4） 始新的探索； （ H） 比较 （ & ! ） ， 如果 （ & ! ） 的值没有改进， 那么取消这次加速探索， 令#B! 4 B 4 G %， < ) ， （ 4） B #， 回到步骤 （:） 开始新的探索。 ! （ 4 G %） （ 4） B! ， 那么就减小步长重复步骤 （:） 。 & & 如果 !
* * 吴文状"， ， ! 赵! 刚"， ， ! 李! 实" ， ! 阴和俊"
!
（ " ! 中国科学院 电子学研究所，北京 "+++C+ ； ! * ! 中国科学院 研究生院，北京 "+++@# ）
! ! 摘! 要： ! 利用综合迭代法初步确定了用于高效率行波管的电子枪几何尺寸参数， 考虑电子枪设计对导流 系数、 注腰半径、 层流性等参数提出的要求， 通过建立评价电子注性能优劣的目标函数以量化设计结果； 应用 3/D) 软件和步长加速直接求优的方法对目标函数进行了优化， 优化结果满足了设计要求。该电子枪已经用 于制管实验， 电子注静态通过率 ##( ,E ， 动态通过率 #C( +E ， 电子效率达到 @$E ， 实验结果进一步验证了该电 子枪设计的合理性。 ! ! 关键词： ! 行波管； ! 电子枪； ! 迭代综合法； ! 目标函数； ! 优化 ! ! 中图分类号： ! 9)B+@( @! ! ! ! 文献标识码： ! 6
如下：
（ 4） （ <） & & （%） 令 4 B <， 选取初始点 ! B! 和步长 5。 （ 4） （ 4） ! B! 其中 " 6 为坐标轴 3 6 方向的单位矢量， 6 B %， :， & & （:） 第 4 阶段沿坐标轴 3 6 方向的局部探索： 6 6 D % E 5" 6 ， （ 4） （ 4） ）F（ & ! ， 则探索成功， 并把该点作为从下一次沿坐标轴 3 6 G % 方向探索 …， )。首先沿正方向探索， 如果 （ & ! 6 6 D%） （ 4） （ 4） 如果沿正方向探索失败就沿反方向探索， 如果 （ & ! ）F （ & ! ， 则探索成功， 把这点作为 的起点， 令 6 B 6 G %； 6 6 D% ） （ 4） （ 4） 从下一次沿坐标轴 3 6 G % 方向探索的起点， 并令 6 B 6 G % ； 如果正反方向都探索失败就退回原处， 令! B! 并 6 6 D%，
［ >］ 求优法 ， 该方法的计算步骤主要由两部分组成， 一是围绕基点的局部探索， 二是沿有利方向的向前移动。下 ［ ?@A ］ 。 面简单介绍步长加速的迭代步骤 C 3: ， …， 3) ） 表示自变量组成的列矢量。迭代步骤 & & 设目标函数 1 B（ & !） 在区域 2 上求最优解， 其中 ! B （ 3% ，
PKQRSM >KTUR>KGKMV QRGU’HVR&M >KQU’V &=VRGRXKP >KQU’V
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第" 期
吴文状等：高效率行波管电子枪设计及其优化
N,(
（ ! # $） （ !） ! ! （"） 如果经过一个阶段后发现 ! %! ， 不能继续加速移动， 那么就减小步长重复步骤 （&） ， 如果逐次
缩小步长都不能加速移动， 那么这点便是最优点的近似。
!" 电子注优化结果
! ! 图 $ 所示电子注分叉及电子轨迹交叉比较明显， 其层流性不能够满足高效率空间行波管的要求， 需要进一 步优化调整。将综合迭代法计算结果代入目标函数， 得 " % $’ ( # (’ ) # *+"’ & % *),’ ( 。电子注性能参数对阳 极头位置的改变最为敏感， 因此在此基础上调整阳极头位置有望得到较为理想的结果。其他各点坐标及阳极 头曲率半径固定不变， 只改变阳极头圆弧顶点 # 在电子枪轴向剖面中的坐标 （ $， %） ， 有目标函数 " % " （ $， %） 。 选择一个适当的区域 &， 以当前 # 点坐标为初始点， 应用变步长加速法和 -./0 软件进行目标函数的优化， 目 标函数值 " 随 # 点坐标变化曲面如图 & 所示。