速调管谐振腔特性参数的确定方法技术

本发明专利技术公开了速调管谐振腔特性参数的确定方法。在速调管谐振腔特性参数的确定方法中，速调管谐振腔特性参数包括所述谐振腔腔体的谐振频率和谐振腔的品质因数，该方法包括以下步骤：群时延曲线测量步骤，测量谐振腔的群时延曲线，以确定所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态；驻波比曲线测量步骤，测量谐振腔的驻波比曲线；以及特性参数确定步骤，根据对驻波比曲线的测量结果以及所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态，确定谐振腔的品质因数。本发明专利技术对过耦合和欠耦合的谐振腔均能适用，有效克服了现有技术中群时延曲线仅对过耦合谐振腔有意义的缺点，可用于速调管高损耗谐振腔特性参数的确定和优化。

【技术实现步骤摘要】
速调管谐振腔特性参数的确定方法
本专利技术涉及微波及毫米波电真空器件
，尤其涉及速调管谐振腔特性参数的确定方法。
技术介绍
速调管自从1939年诞生以来，已经从最初简单的双腔速调管发展到了目前普遍采用重入式圆柱腔、同轴腔、哑铃形腔、扩展互作用腔、滤波器加载多间隙腔等各种复杂高频结构的阶段，与此相适应，电子注形式则包括单注、多注和带状注方案。速调管能够产生高频率的脉冲或连续波功率输出，同时由于其自身结构的特点—电子枪、互作用区和收集极相互分离，因而又具有很高的功率容量和可靠性。速调管作为一种高功率、高增益和高效率的微波、毫米波放大器件，同时兼具工作稳定可靠和长寿命的优点，这使其在科学研究、国防建设和工业生产领域获得了广泛的应用。目前，通过开发新的设计工具和应用新的工艺手段，将速调管的工作频率进一步向亚毫米波和太赫兹频段提升依然是各主要国家相关科研机构的研究热点。速调管的谐振腔通过间隙电场与电子注互作用进行能量交换，输入腔中，外部馈入的激励功率在谐振腔间隙建立起时变电场，对入射的直流电子注进行调制，使之轴向速度发生变化；群聚腔中，具有谐波电流成分的电子注激励起腔场，并反过来受到腔场的调制而获得进一步的群聚；输出腔中，高度群聚的电子注受到相位相反的腔场减速而向外交出能量，放大的电磁波通过波导输出到负载。因此，腔体的特性参数对速调管注波互作用的效率有重要影响，进而决定着器件整体性能的优劣。这其中，谐振腔的特性阻抗取决于腔体结构，在设计阶段已基本确定，而谐振频率和品质因数则需要进行实际测量并据此做出调整。尤其是对于输入、输出腔，由于与外部电路存在能量交换，上述参数的准确测量将更为重要。中国科学院电子学研究所在2007年发表的论文(群时延时间法求解速调管输出腔的外观品质因数Qext，张丁，曹静，缪亦珍等，真空科学与技术学报，Vol.27,No.5,pp.391-394)中描述了一种确定谐振腔频率和外观品质因数的方法，参考图1。按照该方法，首先在电磁分析软件CST中建立谐振腔的三维模型，由软件计算出群时延曲线，群时延曲线峰值位置对应的横坐标f0即为腔体的谐振频率，将曲线峰值τg代入公式Q＝πf0τg/2则可计算出谐振腔的外观品质因数。论文中指出，通过与实验结果以及ISFEL3D中反射相位法所得结果的比较，该方法的正确性和有效性得到了验证。进而推知，可以直接使用CST软件对谐振腔的具体结构做进一步优化。对于上述张丁等人所述的方法，其成立的前提是输出腔的固有品质因数Q0远大于外观品质因数Qe，即腔内电磁场能量的丧失主要源于供给外部负载而非腔体的自身损耗。但在毫米波速调管中，谐振腔体积很小且为提高特性阻抗常采用多间隙结构，此时，鉴于高频电磁场在金属表面的损耗较大，同时还伴随着腔内表面积增加的不利因素，因而有可能导致谐振腔的Q0与Qe在数值上接近，甚至出现Q0<Qe的情形，此时，张丁等人所述的方法不再适用。由上述方法的流程可见，设计者似乎可以直接根据电磁分析软件CST的结果加工实际腔体的结构。实际上，由于数值计算软件的结果准确性极大地依赖于网格剖分方法、网格数量、结构细节的近似程度以及复杂边界的处理方法，因此，在具体指导实际腔体设计时，首先需要通过与实验结果的比对来校验其准确性，之后在合适的参数设置和工作环境下才可进一步对腔体结构进行优化，尤其是对于形状复杂的高频率谐振腔，这一过程非常重要，通常不能省略。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决相关技术中的上述问题，本专利技术提供速调管谐振腔特性参数的确定方法，本专利技术对过耦合和欠耦合的谐振腔均能适用，有效克服了现有技术中群时延曲线仅对过耦合谐振腔有意义的缺点，可用于速调管高损耗谐振腔特性参数的确定和优化。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种速调管谐振腔特性参数的确定方法，速调管谐振腔特性参数包括所述谐振腔腔体的谐振频率和谐振腔的品质因数，所述方法包括以下步骤：群时延曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的群时延曲线，以确定所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态；驻波比曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的驻波比曲线；以及特性参数确定步骤，在该步骤中，根据对驻波比曲线的测量结果以及所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态，确定谐振腔的品质因数。优选地，谐振腔的品质因数包括谐振腔固有品质因数Q0，其中，在群时延曲线测量步骤中，记录群时延曲线的峰值处的横坐标f0作为谐振腔腔体的谐振频率，并将谐振腔腔体的耦合状态记为β，并且当群时延曲线具有正峰时表明谐振腔腔体过耦合，即β>1；当群时延曲线具有负峰时表明谐振腔腔体欠耦合，即β<1，其中，所述驻波比曲线测量步骤包括：确定驻波最小点S0，驻波最小点S0与谐振腔腔体的谐振频率f0相对应；在驻波比曲线上，在驻波最小点S0上方选定驻波比为Sx的水平线，驻波比为Sx的水平线与驻波比曲线相交于频率分别为f1和f2的两点，且满足关系f1<f0<f2；其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔固有品质因数Q0：其中，Δf＝f2-f1；在β>1时β＝S0，在β<1时β＝1/S0。优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔有载品质因数QL，其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔有载品质因数QL：优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔外部品质因数Qe，其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔外部品质因数Qe：优选地，其特征在于，谐振腔的品质因数包括谐振腔有载品质因数QL，其中，在群时延曲线测量步骤中，当群时延曲线具有正峰时确定谐振腔腔体的耦合状态为过耦合，记录群时延曲线的峰值处的横坐标f0作为谐振腔腔体的谐振频率，群时延曲线的峰值对应的群时延τg>0，其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔有载品质因数QL：QL＝πf0τg/2。优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔固有品质因数Q0，其中，所述驻波比曲线测量步骤包括：确定驻波最小点S0，驻波最小点S0与谐振腔腔体的谐振频率f0相对应；其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔固有品质因数Q0：Q0＝(1+S0)QL。优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔外部品质因数Qe，其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔外部品质因数Qe：(三)有益效果本专利技术的有益效果是：a、在由实验确定谐振腔特性参数的过程中，首先通过测量群时延曲线判断腔体的耦合状态，之后再通过测量驻波比曲线，从驻波比曲线上选取若干数据点，进而由公式逐一计算出腔体的品质因数。该方法对过耦合和欠耦合的谐振腔均能适用，有效克服了群时延曲线仅对过耦合谐振腔有意义的缺点，特别适合于速调管高损耗谐振腔。由于工作于高频段的复杂结构谐振腔常因表面损耗过大、耦合口尺寸不合理等各种原因出现欠耦合，因而本专利技术所述的方法具有更为普遍的意义。b、本专利技术所述的方法给出了一种设计速调管谐振腔的流程，首先使用电磁分析软件对腔体进行初始的物理设计，再据此完成结构设计并加工组装冷测模型；接着，通过对模型的精确实验测量确定谐振腔的基本特性参数，进而修正计算软件的相关设置；在确保仿真与实验结果一致的基础上，通过反复调整结构模型，优化设计出性能符合要求的谐振腔。该方法中包含了软件仿真与实验测量比对的环节，并且考本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种速调管谐振腔特性参数的确定方法，其特征在于，速调管谐振腔特性参数包括所述谐振腔腔体的谐振频率和谐振腔的品质因数，所述方法包括以下步骤：群时延曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的群时延曲线，以确定所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态；驻波比曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的驻波比曲线；以及特性参数确定步骤，在该步骤中，根据对驻波比曲线的测量结果以及所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态，确定谐振腔的品质因数。

【技术特征摘要】
1.一种速调管谐振腔特性参数的确定方法，其特征在于，速调管谐振腔特性参数包括所述谐振腔腔体的谐振频率和谐振腔的品质因数，所述方法包括以下步骤：群时延曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的群时延曲线，以确定所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态；驻波比曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的驻波比曲线；以及特性参数确定步骤，在该步骤中，根据对驻波比曲线的测量结果以及所述谐振腔腔体的谐振频率和耦合状态，确定谐振腔的品质因数；其中，谐振腔的品质因数包括谐振腔固有品质因数Q0，其中，在群时延曲线测量步骤中，记录群时延曲线的峰值处的横坐标f0作为谐振腔腔体的谐振频率，并将谐振腔腔体的耦合状态记为β，并且当群时延曲线具有正峰时表明谐振腔腔体过耦合，即β>1；当群时延曲线具有负峰时表明谐振腔腔体欠耦合，即β<1，其中，所述驻波比曲线测量步骤包括：确定驻波最小点S0，驻波最小点S0与谐振腔腔体的谐振频率f0相对应；在驻波比曲线上，在驻波最小点S0上方选定驻波比为Sx的水平线，驻波比为Sx的水平线与驻波比曲线相交于频率分别为f1和f2的两点，且满足关系f1<f0<f2；其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔固有品质因数Q0：其中，Δf＝f2-f1；在β>1时β＝S0，在β<1时β＝1/S0。2.根据权利要求1所述的速调管谐振腔特性参数的确定方法，其特征在于，谐振腔的品质因数还包括谐振腔有载品质因数QL，其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔有载品质因数QL：

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鼎，王香君，丁耀根，张长青，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11