一种空间行波管的螺旋线及其设计方法与流程

本发明属于空间行波管非线性技术领域，涉及一种空间行波管的螺旋线及其设计方法。

背景技术：

空间行波管是应用于各类卫星、航天器、雷达和电子对抗系统的核心部件，其性能指标影响着各类系统的优劣。随着我国航天事业的高速发展，对空间行波管的数量和性能提出了非常迫切的需求。

然而空间行波管并不是线性放大器，其非线性工作过程将会导致出现各项非线性特性，从而对卫星系统和雷达系统产生负面影响。其中群时延失真将会严重影响信号的传输时延，使系统的误码率大大增加，从而对导航系统的时间同步精度和伪测距精度产生影响。群时延失真的产生主要是因为行波管的慢波电路是一个复杂的色散系统，这将导致不同频率下的信号在系统中的相速不同，从而产生传播时间差。但是现有技术中对群时延失真的抑制研究寥寥无几，仅有的一些抑制方法的研究也会对行波管的增益产生负面影响，因此非常有必要对群时延失真特性展开更为深入的研究。

而在空间行波管的设计当中，往往要考虑到输入窗与螺旋线的匹配性。输入窗作为行波管输入信号的入口，主要任务是将高频信号顺利从外部传输到慢波结构上。但是由于慢波结构与输入窗两者的电磁场分布存在较大的差异，两者之间的耦合非常重要。螺旋线的特性阻抗一般比管外传输线的特性阻抗要大，所以在实际加工过程中，常常采用拉松输入螺旋线初始螺距的方式来改变螺旋线的特性阻抗，使得螺旋线与输入窗能够有更好的匹配性。但是由于螺旋线在设计过程中，螺距分布根据注波互作用理论已经是设计好了的。在加工过程中对螺旋线手动拉伸将会影响初始段的注波互作用，从而对行波管的工作性能产生负面影响。因此在注波互作用螺距分布的设计过程中，要尽量增大初始段的螺距，从而改善螺旋线与输入窗之间的传输特性。

因此如何兼顾空间行波管的群时延失真抑制和螺旋线与输入窗的匹配性对于空间行波管的整体应用非常重要。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为解决现有空间行波管的群时延失真抑制和螺旋线与输入窗的匹配性不能兼顾的问题，本发明提供了一种空间行波管的螺旋线及其设计方法。

一种空间行波管的螺旋线，包括输入螺旋线和输出螺旋线。

输入螺旋线和输出螺旋线之间用切断隔开，在切断两边加入衰减器来抑制反射。

所述输入螺旋线分为三段，从初始端起依次包括：第一段均匀螺线段、正渐变螺线段和第二段均匀螺线段；第一段均匀螺线段为输入螺旋线的初始端，第二段均匀螺线段为输入螺旋线的末端；第一段均匀螺线段长度取整个输入螺旋线长度的1％-5％，其螺距值与正渐变螺线段的初始螺距值相同；正渐变螺线段长度取整个输入螺旋线长度的20％-30％，其渐变结束端的螺距值与第二段均匀螺线段的螺距值相同。

所述输出螺旋线分为四段，从靠近输入螺旋线侧开始依次为：第一段均匀螺线段、第一段渐变螺线段、第二段渐变螺线段和第二段均匀螺线段。

其设计方法如下：

步骤1、首先设计正渐变螺线段，然后设计第一段均匀螺线段；

将目标空间行波管的输入螺旋线分为三段，从初始端起依次包括：第一段均匀螺线段、正渐变螺线段和第二段均匀螺线段；第一段均匀螺线段为输入螺旋线的初始端，第二段均匀螺线段为输入螺旋线的末端；第一段均匀螺线段长度取整个输入螺旋线长度的1％-5％，其螺距值与正渐变螺线段的初始螺距值相同；正渐变螺线段长度取整个输入螺旋线长度的20％-30％，其渐变结束端的螺距值与第二段均匀螺线段的螺距值相同。

步骤2、在目标空间行波管的输出螺旋线的第一段均匀螺线段，增加其长度，增加的长度为目标空间行波管的输入螺旋线长度的20％-30％。

本发明提出了一种空间行波管的抑制群时延失真螺旋线及设计方法。首先通过将输入螺旋线初始端的一段改变为正渐变螺线段，从而对群时延失真产生抑制作用；之后再在加入的正渐变螺线段之前加入一段均匀螺线段，从而在保证群时延抑制效果的同时，提高输入螺旋线的初始螺距值；最后通过延长输出螺旋线第一段均匀螺线段长度的方式，从而补偿损失的增益。

综上所述，本发明提供的螺旋线，对现有空间行波管群时延失真抑制提供了一种新的途径，对整个空间行波管做了增益的优化，并同时提高输入螺旋线的初始螺距值，从而提高螺旋线与输入窗的匹配性，减少输入电磁波的反射。

附图说明

图1是实施例引入正渐变结构下的互作用螺距分布示意图；

图2是实施例引入正渐变结构下对频率进行扫描时的增益和群时延失真分布图；

图3是加入输入螺旋线第一段均匀螺线段后的互作用螺距分布示意图；

图4是加入输入螺旋线第一段均匀螺线段后对频率进行扫描时的增益和群时延失真分布图；

图5是实施例结构优化前后的增益扫描分布曲线对比图；

图6是实施例结构优化前后的群时延失真分布曲线对比图。

具体实施方式

以工作频带为1.535-1.605ghz的加入群时延抑制结构的l波段空间行波管为例，结合附图来对本发明做进一步的说明。该行波管输入螺旋线的总长度为164mm，在加入群时延抑制结构之前其只有一段均匀螺线段，均匀螺线段的均匀螺距值为1.2mm。

(1)加入群时延抑制结构后对该行波管进行模拟仿真。

在初始结构下，保持输入螺旋线的长度不变，从输入螺旋线的初始端开始，将其一段改变为正渐变螺线段，渐变的长度选取为输入螺旋线的25％，渐变段的起始螺距值取输入均匀螺线段螺距的65％。并最终优化后，取长度为45mm，渐变初始螺距值为0.8mm。之后再增加输出螺旋线第一段均匀螺线段的长度，取其增加的长度为41mm。

如图1，是该行波管加入正渐变结构下优化后的互作用螺距分布示意图。通过对该互作用分布进行仿真计算，得到该结构下的增益与群时延失真如图2。其中该结构下频带内的增益为52.33-52.55db，群时延失真为0.9153ns。而实际上在结构优化之前，该行波管的增益为52.33-52.49db，群时延失真为1.36ns。通过加入该正渐变结构，在保证增益不损失的前提下对群时延失真进行了抑制。

(2)确定加入的均匀段的长度。

在该l波段的互作用结构中加入的输入螺旋线第一段均匀螺线段长度取为4mm，加入该均匀螺线段后互作用螺距分布示意图如图3所示。

(3)确定均匀段的螺距值。

在保证均匀段的螺距值和渐变段的初始螺距值相同的同时，不断提高螺距值。当螺距值为0.85mm时，保持了对群时延失真的抑制效果。

(4)对损失的增益进行补偿。

通过增加输出螺旋线的第一段均匀螺线段的长度，以1mm为步长进行计算，当输出的第一段均匀螺线段增加4mm时，增益和群时延失真如图4所示，增益52.34-52.60db，群时延失真0.8923ns。图5和图6是结构优化前后的增益和群时延失真对比图，表1是结构优化前后各数据的对比。从图中和表中可以看到，结构优化前后保证了增益的不变和群时延失真的抑制效果，甚至效果有所提升。而经过优化后，输入螺旋线的初始螺距从0.8mm提高到0.85mm，得到了有效的提高。

表1结构优化前后各数据对比

综上所示，本发明首先通过将输入螺旋线初始端的一段改变为正渐变螺线段，从而对群时延失真产生抑制作用；之后再在加入的正渐变螺线段之前加入一段均匀螺线段，从而在保证群时延抑制效果的同时，提高输入螺旋线的初始螺距值；最后通过延长输出螺旋线第一段均匀螺线段长度的方式，从而补偿损失的增益。最终本发明在保证群时延失真的抑制效果和增益不变的前提下，可以有效提高输入螺旋线的初始螺距，从而提高螺旋线与输入窗的匹配性，减少输入电磁波的反射。