一种螺旋线行波管同轴能量耦合器的设计方法技术

该发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波真空电子器件能量耦合器
，具体涉及一种螺旋线行波管同轴能量耦合器设计方法。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案为：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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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专利技术的实施例作进一步的说明。本专利技术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)： | Γ | = ρ - 1 ρ + 1 - - - ( 1 ) ]]>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Z0h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，则进本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小芳，胡权，胡玉禄，徐立，李斌，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51