（无线电物理专业论文）慢波结构在线冷测系统研究.pdf

摘要 摘要 行波管是一种宽频带、高效率、大功率的微波放大器件，广泛应用于雷达、 通信、电视、广播、电子对抗等各种电子设备中。 行波管慢波结构的色散和耦合阻抗是行波管设计中两个非常重要的冷参 量，它们决定了整支管子的工作电压、频带宽度、工作效率和增益。在管子研 制阶段，对色散和耦合阻抗冷参量的测量可以起到验证、改进设计的作用；在 管子生产阶段，通过测量可以及早发现慢波结构在加工、焊接、装配过程中的 问题，防止瑕疵品继续流水作业，提高生产效率。 目前，国内行波管生产科研单位基本都是通过软件计算得到慢波结构的色 散和耦合阻抗冷参量，或者待整支管子装配完成后，通过热测来估计出慢波结 构的色散和耦合阻抗，这样做不但测量不准确，而且也不能及时发现慢波结构 的缺陷，浪费了大量人力、财力。国外对行波管慢波结构冷参量测量系统已经 做了很多研究工作，但是多数的测量系统自动化程度低，不能满足在线测量的 需求。因此，研制出一套高度自动化、具有较高测量精度的冷参量在线测量系 统就成为行波管科研生产单位的迫切需求，这也是本论文的工作目标。 通过分析、比较不同的测量方法，本文最后采用行波法测量色散，非谐振 微扰法测量耦合阻抗。测量系统采用虚拟仪器的设计思想，由测量平台、伺服 电机、矢量网络分析仪、计算机等硬件组成，用l a b v i e w 完成了系统软件设计。 系统自动控制伺服电机的运行，对测试探头完成指定的移动定位；通过g p i b 总 线与矢量网络分析仪器通信，自动完成相关测量参数的设置以及s 参数的相位 测量；对测得的数据进行后台处理，将结果以图形、数据文件的方式显示、保 存。 本人研制的冷测系统对三支不同类型的慢波结构样品做了实际测量，并将 测量结果与h f s s 、c s t 等软件计算的结果做了比较、分析，验证了测量系统具 有很好的测量重复性、一致性以及较高的测量精度。 该测量系统已经通过有关行波管生产单位的验收，正式投入使用，对提高 行波管科研、生产水平有着实际意义。 关键词：行波管慢波结构，色散，耦合阻抗，虚拟仪器技术，l a b v i e w a b s t a c t a b s t r a c t t r a v e l i n gw a v et u b e s ( t w t ) a r eb r o a d b a n d ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e r m i c r o w a v ea m p l i f i e r s ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nm a n ye l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，s u c h 邪r a d a r s ，c o m m u n i c a t i o n s ，t e l e v i s i o n ，r a d i oa n de l e c t r o n i cw a r f a r e t w oc o l d - t e s tp a r a m e t e r sd e t e r m i n et h ew o r k i n gv o l t a g e ，f r e q u e n c y b a n d ， e f f i c i e n c ya n dg a i no f 厂船t h e ya r ed i s p e r s i o na n di n t e r a c t i o ni m p e d a n c eo ft h e s l o w - w a v es t r u c t u r e s ( s w s ) i nm w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tt a r g e t sf o rt w t a t t h et i m eo fd e s i g n ，t h em e a s u r e m e n to f d i s p e r s i o na n di n t e r a c t i o ni m p e d a n c ew i l lb e u s e da sd e s i g nv e r i f i c a t i o na n di m p r o v e m e n t a tt h et i m eo fm a n u f a c t u r e ，t h e m e a s u r e m e n tw i l lf i n dt h ep r o b l e m so ft h es l o w w a v es t r u c t u r e si nm a c h i n i n g ，w e l d a n df i t t i n g i nt h ed o m e s t i cf a c t o r i e so ft w tm a n u f a c t u r e ，t h ed a t ao fd i s p e r s i o na n d i n t e r a c t i o n i m p e d a n c e a r e u s u a l l y o b t a i n e d b ys i m u l a t i o n a l t h o u g ht h e m e a s u r e m e n to fb e a m 。w a v ei n t e r a c t i o nc a l lg e tt h ed a t a , w h i c hi n c l u d i n gl a r g ea n d e x p e n s i v ee q u i p m e n t s b u ti tc a nn o tf i n dt h eb l e m i s ho fs w sa se a r l yb e c a u s ei t m u s tw a i tu n t i lt h ef i n i s h i n go fw h o l em a n u f a c t u r e b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e s s u c ha sl o wa u t o m a t i s m ，t i m e w o r n , t h ef o r e i g nm e a s u r e m e n te q u i p m e n t sc a l ln o t m e e tt h ed e m a n d so fm e a s u r e m e n to n - l i n e t h ea i mo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e v e l o pam e a s u r es y s t e mo f d i s p e r s i o na n d i n t e r a c t i o ni m p e d a n c e ，w h i c hh a sh i ! g hm e a s u r ep r e c i s i o na n da u t o m a t i s m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，d i f f e r e n tt h e o r i e so fm e a s u r e m e n ta r e d i s c u s s e d t h r o u g h t h e c o m p a r i s o n ，w eu s et r a v e l i n g - w a v em e t h o dt om e a s u r ed i s p e r s i o na n dn o n r e s o n a n t p e r t u r b a t i o nm e t h o dt om e a s u r ei n t e r a c t i o ni m p e d a n c e t h em e a s u r es y s t e mi sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i t sh a r d w a r e i n c l u d e sm e a s u r e m e n tf i a t , s a v om o t o r , v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r ( v n a ) e t c a n di t s s o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yl a b v i e w t h em e a s u r e m e n ts y s t e mc a na u t o m a t i c a l l y c o n t r o lt h em o v e m e n to fs e r v em o t o ra n dc o m m u n i c a t ew i t hv n a t h r o u g hg p i bb u s t os e t u pt h em e a s u r e m e n tv a r i a b l ea u t o m a t i c a l l y , m e a s u r et h ep h a s eo fs p a r a m e t e r i ta l s oc a np r o g r e s st h em e a s u r e m e n td a t a0 nt h eb a c k g r o u n d ，d i s p l a yt h er e s u l t sb y t t a b s t i 认c t g r a p hd a t a ，s t o r et h e m i nt h ed a t af i l e s t h es y s t e mh a sp r a c t i c a l l ym e a s u r e dt h r e es w ss a m p l e s t h r o u g ht h e c o m p a r i s o n 谢t ht h er e s u l t ss i m u l a t e db yh f s sa n dc s t m i c r o w a v es t u d i o ，v a l i d a t e i t sg o o dm e a s u r er e p e t i t i o n , m e a s u r ec o n s i s t e n c ya n dh i g hp r e c i s i o n t h em e a s u r es y s t e mh a sa l r e a d yg o r c na u t h o r i z a t i o nf r o mt h er e l a t i v ef a c t o r y i t sp r a c t i c a lu s a g ew i l la c c e l e r a t et h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft w t k e y w o r d ：s l o w w a v es t r u c t u r eo ft r a v e l i n gw a v et u b e ，d i s p e r s i o n , i n t e r a c t i o ni m p e d a n c e ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , l a b v i e w i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：伽男年弓月乙矽日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期：嘲年弓月醒日 第章绪论 1 1 行波管概述 第一章绪论 行波管是k o m p f n e r 在1 9 4 3 年发明的，工作频率为3 5g h z ，工作电压为 1 8 3 0v ，电流为0 1 8m a 。同年他在b i r m i n g h a m 大学阐述了行波放大原理；1 9 4 6 年他的发明第一次在无线电世界( w i r e l e s sw o r l d ) 上报道，随后，贝尔实 验室的j r p i e r c e 和l m f i e l d 也相继制造出螺旋线行波管。标准电话和电 缆公司的r o g e r s 制成了第一批投入实际应用的行波管，当时这批行波管用于 m a n c h e s t e 到e d i n b u r g h 邮局的中继系统中，向英国广播公司的发射台馈送信 号。 行波管是一种宽频带、大功率的微波放大器件心1 ，它的主要构成如图卜1 所示 图卜1 行波管结构示意图 其中主要包括电子枪、慢波结构、收集极、集中衰减器、输入、输出耦合 器以及聚焦系统等。 1 ) 电子枪：它的主要作用是产生一个具有所需形状、尺寸和电流的电子束， 并加速电子束使其速度比在慢波结构上行进的电磁波的相速稍快，以便和电磁 波交换能量，实现放大。 2 ) 慢波结构：它的主要作用是使电磁波的相速变慢到和电子的运动速度基 本相同，从而使电磁波和电子充分交换能量，放大信号。在慢波结构中间一般 还有一个到两个的集中衰减器，以切断反馈途径来抑制因反射反馈和外部反馈 电子科技大学硕士学位论文 引起的自激振荡，同时提高其增益和输出功率。 3 ) 磁聚焦系统：它用来约束电子注，使其不致扩散而被慢波结构截获，从 而使电子注能够保持一定形状，在慢波结构中与电磁波充分相互作用实现放大。 4 ) 收集极：它用来收集和电磁波交换能量之后的电子注。收集极设计中主 要需要解决提高电子效率以及降低热耗散的问题。 5 ) 输入输出藕合装置：这是行波管放大信号的入口和出口。这一部分需要 解决输入输出端口阻抗匹配问题h 1 。 目前世界上已有几百种型号的行波管。根据所采用的慢波结构，行波管主 要可分成以下类型： 1 ) 螺旋线行波管。这类行波管具有工作频带宽、过载能力强、高效率、稳 定可靠、寿命长等优点，使用最为广泛，在微弱信号接收、电子对抗等方面占 有重要地位。 2 ) 环杆行波管和环圈行波管。这类行波管的平均功率比螺旋线行波管稍大 一些，但带宽要窄一些。 3 ) 耦合腔行波管。这类行波管的慢波结构为全金属，输出功率大，但带宽 较窄，主要使用在雷达、卫星通信的发射机上。 行波管的主要特点是频带宽，动态范围大，噪声低，增益高。经过6 0 多年 的发展，目前行波管的工作频率已经覆盖了5 0 0 m h z 至11 0 g h z ，增益可以从2 0 d b 高至7 0 d b ，输出功率从几十瓦至几十千瓦。因此在宽带、大功率微波领域，行波 管仍然比半导体功率器件具有明显的优势和无法替代的地位，广泛运用于雷达、 通信、电视、广播、遥测、电子对抗等各种电子设备中h 儿5 1 。 1 2 行波管慢波结构的冷参量 根据行波管的基本结构知道，行波管是依靠和电磁波同步的电子注互作用 而把能量交给电磁波实现放大的。为了保证电子流与电磁波有效地相互作用， 一般需要保证两个条件： 第一，电子流速度与电磁波的相速同步； 第二，在电子流速度方向上，电磁波一般必须有纵向分量，而且此纵向分 量在电子流通过的地方越强越好。 因此基于这样的条件，在微波管如行波管、返波管、正交场放大管和振荡 器件以及电子直线加速器中大部分都采用了周期性高频系统，以提供一个相速 2 第一章绪论 小于光速的慢电磁波。这类周期性的高频系统称为慢波周期系统，在这种系统 中，电磁波的传播也具有周期性。 对应电子流与电磁波互作用的两个条件，慢波结构必须具有两个重要的作 用引： 作用一是把电磁波的相速降下来，使它能和电子同步以保证电子和电磁波 有足够长的互作用时间；由表征电磁波的相速与频率( 或波长) 之间的色散特性 来确定。 作用二是有足够强的总电场强度以保证电子和电磁波的能量交换；则通过 波的纵向阻抗或电子流与波的耦合阻抗来表征。 另外，为了保证电子交出能量变成输出功率，而不是消耗在行波管内部， 慢波结构还必须考虑其损耗，它要尽可能小。这几个重要参数就构成了慢波系 统所要研究的慢波特性参数。 慢波结构的色散特性和耦合阻抗，也就是通常说的慢波结构的冷参量；之 所以称之为冷参量，是因为色散特性和耦合阻抗在不需要加入电子注的情况下 就可以得到。行波管在加有电子注后所表现出来的一些指标称之为热参量。除 了色散和耦合阻抗这两个比较关键的冷参量以外，还有端口驻波、损耗等的冷 参量。本文主要讨论的是色散和耦合阻抗。 1 2 1 周期性慢波结构的基本性质 在均匀无耗的慢波结构中，沿纵向在空间两点五、乞之间的电场可以表示 为 e 瓴y ，乞) = 巨( x ，y ，z , ) e j p 之一句 ( 卜1 ) 因此，一般情况下，电场随时间及空间的变化可以写成 e ( x ，y ，z ，t ) = f ( x ，y ) 一戚一肛 ( 卜2 ) 上式表明电场e 沿纵向在任意位置上均由相同的幅值函数，似j ，) 所确定， 它只与横向座标x 、y 有关，而与纵向座标z 无关。但是，行波管中的慢波结构 都具有周期性，即相同的边界条件在z 轴( 纵向) 方向具有周期性，每隔一定 的长度，边界条件周期重复，如图1 - 2 所示。 3 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 2 周期性慢波结构示意图 根据周期定理( f l o q u e t 定理) ：在一给定频率下，对于周期结构中一确定 传播模式，沿周期系统传输的行波在任一个截面z 处的电场，与相距一个周期 位于z + 三处的场仅相差一个传播常数y ，即 e ( x ，y ，z + 厶t ) = e ( x ，y ，z ，t ) e 一班 ( 卜3 ) 满足上述条件的e ( x ，y ，z ，t ) 可以写成 e ( x ，y ，z ，f ) = f ( x ，y ，z ) e 加弦 ( 卜4 ) 这里的幅值函数f ( x ，y ，z ) 不仅与x 、y 有关，还与z 有关。同时，f ( x ，y ，z ) 也必 然是z 的周期函数，满足 f ( x ，y ，z + 三) = f ( x ，y ，z ) ( 1 5 ) ( 1 - 4 ) 式中的y 可能有两种可能值： 1 ) y = j , f l ，为虚数，是传播状态，对应的频率范围称为“通带”； 2 ) y = 翻，为实数，是截止状态，对应的频率范围称为“禁带”。 我们只限于研究传播状态，所以令( 卜4 ) 式中的y = j f l ，得到 e ( x ，y ，z ，t ) = f ( x ，y ，z ) e j 酬一肛 ( 卜6 ) 按照周期性函数的性质，可以将f ( x ，y ，z ) 对z 作傅立叶分解 f ( x ，j ，z ) = e ( x ，y ) e 吖一t ( 1 7 ) 式中的e ( x ，y ) 为 e ( x , y ) ：f f ( 五y ，z 弘如警2 如 ( 1 8 ) 将( 1 - 7 ) 式代入( 1 6 ) 式中，可得 第一章绪论 e ( 训石d ：妻e ( 五y 少( 户+ 剀 ( 1 9 ) 令 尾= + 竽z ( 刀：o 1 ，2 ，) ( 1 一i 0 ) 可见，在周期系统中传播的波，由于结构的空间周期性，波的场分布也具 有周期性，因而可分解成无数个谐波，这些谐波就称为空间谐波，由( 卜l o ) 可 以导出力次空间谐波的相速度： v 。：旦：一2 z f ( 卜1 1 ) 2 瓦2 百 u 一 如果刀= 0 ，即得到基波的相位常数 属= ( 卜1 2 ) 基波的相速度 v 。：旦：一2 n f ( 卜1 3 ) v ，。2 瓦2 百 u 一 将( 1 - 1 0 ) 代入( 1 - 9 ) 得到 e ( x ，y ，z ，f ) = e ( x ，j ，) ( 硝仰) ( 卜1 4 ) 由( 1 - 1 0 ) 式可以看出，周期慢波结构中每一个传播模式的场都是由无限 多个空间谐波所组成，而每个慢波结构中又可以存在若干个不同的模式，不同 的模式对应不同的时间谐波，所以周期慢波结构中既有空间谐波，又有时间谐 波。 空间谐波与时间谐波在数学处理上都是傅立叶级数展开的结果，但它们是 两个不同的概念： 1 ) 空间谐波是场的幅值在空间( z 向) 具有非简谐的周期性而引起的；而时 间谐波则是场幅值在时间上具有非简谐的周期性( 脉冲波) 而引起的； 2 ) 空间谐波都具有相同的频率国，但具有不同的相位常数尾和相同的群速 匕；时间谐波则具有不同的频率，在色散系统中相速也不同，一般情况下群速 相同； 3 ) 由空间谐波合成总的场在时间上仍是简谐变化的并不存在谐波。 5 电子科技大学硕士学位论文 空间谐波与传播模式也是不同的，必须严格区分它们： 1 ) 空间谐波是周期性结构的产物，是一个统一的波动过程沿空间的分解， 它不能单独存在；而传播模式则代表了一种场的总的分布，每一个传播模式都 能独立存在。 2 ) 只有空间谐波同时存在组成一个总的场分布才能满足系统的全部边界 条件，它们之间的幅值是严格成比列的；每个传播模式不仅能满足波动方程， 而且能满足系统的全部边界条件；一个空间谐波虽然可以满足波动方程，但不 能满足边界条件。因此可以总结为，一个传播模式可以包含无穷多个谐波，可 以独立存在；一个空间谐波必定属于某一传播模式，它本身不能独立存在。 3 ) 每个单独的空间谐波在时间和空间上都是简谐变化的，他们合成的传播 模式在时间上仍是简谐变化，但在空间上则是周期性分布的。 4 ) 周期系统中的传播模式不同于均匀波导系统如矩形波导、圆波导等中的 模式，虽然它们都能分别满足各自的全部边界条件，都能独立存在；但前者在 空间是周期性分布的，因而可以分解成无穷多个空间谐波，而后者在空间分布 上也是简谐的，因此不可分解成空间谐波u 1 。 在行波管中，电子注只能与一个和它速度同步的行波场发生有效的互相作 用。在周期慢波结构中，由于在一定的频率下( 即一个模式中) 存在相速度不 同的各次空间谐波，因此具有确定速度的电子注与总场的相互作用可以看成是 与其中某一次空间谐波场的相互作用。理论上，改变电子注的速度可以使它与 任何一个空间谐波发生相互作用，但是一般高次谐波的场强很弱，很难与电子 注进行有效的换能，所以我们通常只考虑利用基波( 刀= 0 ) 与电子注相互作用。 在以后的文章中，如无特殊指出，我们只讨论基波的色散和耦合阻抗特性。 1 2 2 慢波结构的色散特性 慢电磁波的传播速度随频率而变化的情况，通常用慢波系统的色散特性来 表示。“色散 原是指光学中的一个物理现象。光其实也是一种电磁波，只是它 的频率要比微波高很多。光因其频率的不同而呈现各种颜色，而白光则是由多 种频率的单色光混合而成的。不同颜色的光在真空中传播时速度都是相同的， 但是在介质中传播时它们的速度就随频率而不同。当一束白光从空气中入射到 玻璃棱镜中时，由于折射角随频率而变化，于是白光就分散为各种颜色的光， 这种现象称之为“色散 。可见，色散的本质就是光在介质中的传播速度随频率 6 第一章绪论 而变化的特性阻3 。 因此，在描述慢波结构中慢电磁波的传播速度( 即波的相速) 随频率而变化 的特性时，采用了这一名词，可表示为电磁波沿轴向的传播速度1 ，。，与光速c 的 比值： y 。c = o l ( p c ) ( 卜1 5 ) 其中国为慢电磁波的角频率，为电磁波在周期慢波系统中的传播常数。 如果知道了电子注的运动速度，那么适当调整慢波结构的尺寸参数，使得 v 。，即实现电磁波与电子注的“同步 ，使两者能够充分的相互作用。 周期慢波结构的色散特性与普通波导一样是表征电磁波在该慢波结构传播 时的相速1 ，与工作频率f = o ) 1 2 万之间的相互关系( 见( 卜1 3 ) 式) 。这一特性 是衡量慢波结构降低电磁场相速度的参量，决定了行波管的工作电压和频带宽 度。色散特性通常有以下几种常用的表示方法瞳1 ： 1 ) 直接把电磁波相速写成频率的函数即，。= f ( j o ，通过作图，可以从图 1 - 3 上看出，相速的变化情况一目了然。 v j , 图1 - 3 色散特性的直接表示法 2 ) 如果横坐标用波长入代替上述方法中的f 而纵坐标则用慢波比代替相 速，并定义为 0 = 二 ( 卜1 6 ) 于是我们用图1 - 4 来描述一个慢波系统的色散特性。这一方法在苏联及东欧一 些国家中用得较多。 电子科技大学硕士学位论文 图卜4 色散特性的f 一兄表示法 3 ) 如果将缈作为纵坐标，而把相位常数b 作为横坐标，这种表示方法常被 称为布里渊图，如图i - 5 所示。在工作点上，其相速取决于工作点与坐标原点 连线形成的夹角缈的正切 2 丢2 留伊 ( 1 - 2i2 留伊 il l ，) p 布里渊图给出了相速0 与频率国的关系。 图卜5 色散特性的布里渊图 通常采用直接表示方法与f 一五表示法相结合，纵坐标采用慢波比生，横坐 c 标为频率厂( 厂= c o 2 l r ) 来表示色散特性。 1 2 3 慢波结构的耦合阻抗 慢波结构的耦合阻抗表征电子注与慢波结构中的场相互作用的效能乜1 ，是特 有的人为定义的参量，决定了行波管的工作效率和增益。 在普通长线中，功率流p 与线上行波电压幅值吒之间通过下述关系联系起 来： 8 第一章绪论 p = 三堡( 1 1 8 ) 2z o 式中的z o 为长线的特性阻抗。为了与长线相对应，在慢波结构中，也可以找出 相应的表达式，用纵向电压圪来取代普通长线中的横向电压，于是 p ：! 堡( 1 1 9 ) 2k o 由此可得 = 善 ( 1 - 2 0 ) 这里k 具有阻抗的量纲，称之为耦合阻抗。为了基波纵向电场分量e 联系起来， 纵向电压k 采用下述的人为定义，即 圪= s i n 触= 参( 1 - 2 1 ) 因此有 k = 盟2 , b 2 p ( 1 - 2 2 ) 式中的e 可以通过对慢波结构纵向电场的傅立叶变换得到。如设慢波结构中单 位长度上的储能为形，群速为k ，则慢波结构中传播的功率流 尸= 形 ( 卜2 3 ) k 亦可以写成如下形式： 民= 上2 p 碱l v g ( 1 2 4 ) 由( 1 - 2 4 ) 式可见，为了提高耦合阻抗，可以选择单位长度储能小或群速 低的系统。耦合阻抗完全是一种人为的定义，通常总希望耦合阻抗尽可能高些， 以利于提高放大管的增益及效率，但是要得到较高的耦合阻抗需要慢波系统具 有强烈的色散；而色散还影响着慢波系统的带宽，由此可见，耦合阻抗与带宽 两者往往是矛盾的。 9 电子科技大学项士学位论文 1 3 冷参量测量的意义和现状 色散特性、耦合阻抗这两个冷参量直接影响到行波管的工作电压、频带宽 度、工作效率、工作稳定性以及增益等一系列重要指标。 为了使宽带大功率行波管在宽频带上能够得到高频率和高增益的运用，从 慢波线系统的角度来看，需要有良好的匹配性能、随频率变化不大的相速以及 高的互作用场强，这要求有平坦的色散曲线和高的藕合阻抗。因此在宽带大功 率行波管中，冷参量的测量( 本文一下内容如无特别说明，则简称为冷测) 是 研制行波管过程中极为重要的一环，已成为行波管设计中不可分割的一部分。 同时，冷测不仅在设计和研制过程中有着十分重要的作用，即使在设计定型以 后的生产过程中仍然占有重要的地位。行波管流水生产线中的冷测可以及时发 现慢波结构因加工、焊接、装配等因素引起的结构上的变化阳1 ，防止有瑕疵 的不合格慢波结构流入下一道工序。只有这样，才能节约了生产时间，提高生 产效率，才能保证最后装配完成的管子在各方面的参数合乎设计要求。由此可 见对行波管的冷测在其整个研制生产过程中都是必不可少的一环。 国内已有了行波管相关的冷测系统儿1 2 1 ，但是色散和耦合阻抗的测量系统 研制仍处于空白状态。我国行波管科研单位和生产单位不具备真正意义上的冷 测设备，行波管的冷参量主要是在设计和研制过程中通过商用电磁仿真软件( 如 h f s s 、c s t 、m a f i a 等) 或者自行编制的c a d 软件强儿1 3 】【1 1 计算得到的。但设计好 的行波管在投入生产过程中，就无法再进行实际的冷测，只有等到整个管子装 配完成后，通过热参数测量来验证设计的指标是否合格。 虽然国内包括电子科技大学n 钉、南京航天航空大学n 阳的高校和单位n 力都已 经研制出了行波管热参数测量系统，可以比较全面地测量行波管的参数；但热 参数测量系统整体比较庞大，价格昂贵，所需要的外配仪器和设备也比较多， 不能有效的测量色散和耦合阻抗，不能及早的发现慢波结构的缺陷；而且根据 行波管热测现场具有很强的电磁辐射，对测试人员长期工作极其不利。 国外方面，乌克兰、俄罗斯等国已经研制出行波管冷测系统整机，但是就 现有的仪器而言基本上都比较笨重，测量软件平台落后，系统更新不便。 第一章绪论 图1 - 6 乌克兰出产的慢波结构色散测量仪 1 4 本学位论文的主要工作 行波管科研、生产单位对冷测系统的迫切需求是本学位论文的出发点，研 制出一套可靠、实用的新型行波管慢波结构冷测系统实本学位论文的最终目标。 本学位论文的主要工作包括： 1 分析、比较色散测量和耦合阻抗测量的历年以来不同原理，根据现有的 条件从中选取最简单、有效的测量方法。 2 根据所采用的测量方法，完成冷测系统各个硬件部分的设计以及相互间 的接口设计。 3 选取合适的软件平台并编写出冷测系统软件，使得操作人员只需在计算 机上进行简单的设置，即可由计算机集中控制测量系统完成全自动化测量。测 量软件的界面友好，操作简单，功能完善。 4 为了验证这套冷测系统的性能指标，对三种型号行波管的慢波结构样品 进行实际测量。根据调试、测量的结果反复修改、完善系统的软、硬件，使冷 测系统运行稳定、可靠。 5 对待测慢波结构进行色散和耦合阻抗的仿真计算，和实际测量结果比 较，进行测量结果的分析，提出造成测量误差的原因。 电子科技大学硕士学位论文 1 5 整个学位论文的组织 第一章为绪论部分，介绍行波管慢波结构冷参量的基本概念、冷测的意义 和国内外现状。 第二章为冷测理论和方法的讨论部分，对色散和耦合阻抗的测量方法进行 分析。 第三章、第四章主要介绍了冷测系统的硬件、软件组成，描述了系统硬件 的接口设计和软件各部分的流程思路。 第五章中对实际测量的三支管子的结果与h f s s 、c s t 等软件仿真计算的结 果比较、分析。 第六章是对所做工作的归纳总结。 1 2 第二章慢波结构冷侧的基本原理和方法 第二章行波管慢波结构冷测的基本原理和方法 对于行波管慢波结构色散和耦合阻抗的测量原理、方法n 8 1 n 。1 ，国内外有很 多种，特别是色散测量，方法非常的多，耦合阻抗的测量则主要使用的是微扰 法。本章冷测系统采用的方法是行波法测量色散，非谐振微扰法测耦合阻抗。 2 1 色散测量 2 1 1 行波法 慢波结构在接近于工作条件下处于行波状态时的测量方法称为行波法。 行波法测量色散的原理就是测量慢波结构中，直接测量探针处于不同位置 时的相移，即当f = 石，l = 厶时，测得缈= 仍；而l = 厶时，测得伊= 仍，即两 点间距离为缸= l 厶一厶i 的行波相位差( 即相移) 驴= l 仍一仍i ，通过 p ：鲤 ( 2 1 ) l 得到相位常数后，即可得到相速度 = 荔 ( 2 - 2 ) 最后就求得了色散特性f 。 一种利用相位差计和) ( 1 f 记录仪进行色散测量的系统组成如图2 1 所示 图2 - 1 行波法色散测量示意图 1 3 电子科技大学硕士学位论文 信号源产生频率为f 的信号进入待测慢波结构中。在慢波结构的一端接有 匹配负载，确保了信号在慢波结构中呈现行波状态。在待测慢波结构中用相距 为三的两个弱耦合探针，取出两点的相位，通过相位差计得到两点间的相位差 缈，由公式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 即可得到频率斤下的色散特性，由信号源依次改变 频率即可得到整个工作频段内的色散特性曲线。 采用上述测量系统，相位差计可以测量大于0 6 。的够，并且即使信号电 平变化超过1 0 d b ，仍然不影响相位的测量。系统中的功率只要求大于0 2 m w 即 可。因此探针不必有较强的耦合，这样对行波场的干扰问题大为减弱，实际上 可以忽略不计。同时，由于测量相位的灵敏度高，对信号电平的变化不敏感， 因此这一方法对被测量慢波结构与测量系统间的匹配没有太苛刻的要求n 8 | 。 2 1 2 冷测系统测量色散的方法 冷测系统采用行波法进行色散测量，基本的组成如图2 2 所示 图2 2 冷测系统色散测量示意图 其中的探针为一根同轴电缆。矢量网络分析仪一端和待测慢波结构的输入端连 接，一端和同轴探针连接，主要完成扫频以及相位测量的作用。待测慢波结构 和探针的结构示意图如下： 夹持杆 同轴电缆探针 螺旋线 訇2 - 3 横截面视图图2 - 4 纵向视图 第二章慢波结构冷侧的基本原理和方法 考虑到行波管在实际工作状态时，电子注主要是集中在慢波结构的纵向中 心轴线上，另一方面在纵向中心轴线上只有基波场心吖2 3 l ，所以冷测的时候也将 同轴探针放置在待测慢波结构的纵向中心轴线上测量，使得测量出来的色散特 性和实际工作情况较吻合。图2 4 中的集中衰减器就是在夹持杆尾部蒸涂的石 墨层( 不同管型的蒸涂形状和厚度不同) ，以此完成匹配负载的作用。 测量时，利用矢量网络分析仪输出频率为厂的激励信号到待测慢波结构中， 并由同轴探针将中心轴线上的电场耦合出来，通过矢量网络分析仪可以测得探 针在当前位置下的相位仍，然后沿轴线方向水平移动探头，移动距离为z ，再 次测量的相位为伤，通过 1 ，：竺：2 z a lf ：2 z l 厂 ( n z - 3 )1 ，= 一= = ，kjj 妒。 仍一仍。 得到y 。再依次改变激励信号的频率既而完成色散的测量 2 2 耦合阻抗测量 目前耦合阻抗测量的各种方法都是利用微扰法。其中又分为谐振微扰和非 谐振微扰。本节主要介绍非谐振微扰法。 2 2 1 非谐振微扰法 非谐振微扰法测量耦合阻抗口4 h 2 刀的时候，不需要将待测慢波结构做成特定 的谐振腔体模型。采用传导性好的圆柱形金属丝作为微扰体。其结构模型示意 图如图2 7 所示 图2 7 非谐振微扰法测量模型示意图 可以将微扰前的电场e o 和磁场。写成如下的m a x w e l l 方程： 久。 电子科技大学硕士学位论文 v x 或= j o ) d o ( 2 4 ) v x 成= - j a ) e e o ( 2 5 ) 其中的上角标术号表示共轭。同理将微扰后的电场e 和磁场日写成如下方程： v x e = 啤腭 ( 2 6 ) v x h = j a ) c e ( 2 7 ) 将( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式分别乘以日、e ，将( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式分别乘以域、或并 利用公式v ( a x b ) = b v x a a v x b 以及高斯定理，可以得n - 叮( 乓h + e 珥) d o = 0 ( 2 8 ) 式中的盯是包含微扰体在内的一个圆柱面，两端的横截面要扣除和微扰体相交 的部分，其内部也要扣除微扰体的部分。设风、夕分别为微扰前后的相位传播 常数。则微扰前后的相位传播常数差 = 一属 ( 2 9 ) 根据周期定理( f l o q u e t 定理) 并考虑金属的边界条件，将( 2 - 9 ) 式代入( 2 - 8 ) 式可以得到： ( f ( e h + e 玩) d o = ，( 日日+ e 2 - i ：) e 嗍出一，( 霹日+ 占日) p 肫d s ( 2 一l o ) ，一，a - a , + n g h d l d z = 0 鼍f 其中e 、珥、e 、日分别为微扰前后的电场经傅立叶变换所得的基波分量，s 为 慢波结构管壳两端的横截面，丛为微扰体两端的横截面，为微扰体外表面的环 路曲线，为微扰前后传播常数的变化。假设扰动很小，( 2 - 1 0 ) 式中的积分 可以环形横截面上的功率尸表示： f ( 霹日。+ e w ) d s = 4 p ( 2 - 1 1 ) o 厶，- 一 2l zdj日 o e 叮， 幻广j q 一 = 璩 p4 、， 芦 a ， p一 卢 a 为 0 写 式) o1 上 一 2 l以所 第二章慢波结构冷侧的基本原理和方法 如果金属细丝的直径只有慢波结构内径的1 至2 ，只考虑中心轴线附近的基波 场，( 2 - 1 2 ) 式得到： 一j e ：xh 1 d l = l 丽广( 2 - 1 3 ) 采用极坐标后，( 2 - 1 3 ) 式可以写为： = 鲁囟二( 户) 日i ( p ) + e 品( p ) 日：( 户) 】 ( 2 _ 1 4 ) 其中p 为微扰体的半径。在中心轴线上，电场的角向分量为零，即使是放入微 扰体后，在一定的近似下，仍然可认为微扰后的电场角向分量为零。所以 ：之譬e 二( p ) 日，( p ) ( 2 - 1 5 ) 2 p “”7 ”7 由于耦合阻抗的定义式在极坐标下可以写为： k ( 加拿掣 ( 2 _ 1 6 ) 带入( 2 1 5 ) 式后得到： k ( p ) = 万1 矿a p 瓦e 两( p ) ( 2 1 7 ) 基波的t m 部分啪【2 8 1 才能满足e 面等式的右边。在t m 波中： 反：= 一力& i o ( y o ，) t = - 7 2 ( a i o ( t r ) + b i o ( 7 r ) ) h 9 = j k y ( a i , ( 7 r ) 一b k l ( 7 ，_ ) )( 2 1 8 ) y 、= 肝 ，：厨 其中的鸽、a 、b 为待定系数，七为自由空间的传播常数，i 。、k 。分别为第 一、二类的修正贝塞尔函数，7 0 、7 为微扰前后的径向传播常数。在微扰情况 下，利用丘( p ) = o 的边界条件，可以将系数b 用彳来表示： b ：一彳丛丝!( 2 1 9 ) k o ( 矽) 电子科技大学硕士学位论文 e ：= 一7 2 4 ( 1 0 ( yr ) i 。( y p ) i x 。( ) 2 2 。) e ，：e 加叠盟( 2 2 2 ) 巨一后代k ，) - 器酏，) ( 2 - 2 3 ) 苫婴警! 兰三三三；| ；j 豢= c2 2 4 ， 吖_ 讹旷瑞矶力 蹦加眦) 斋荔卜) + 端引护) 屯5 鼬o - 】。半等矗而糍而 2 6 1 8 第二章慢波结构冷侧的基本原理和方法 2 2 2 冷测系统测量耦合阻抗的方法 冷测系统采用非谐振微扰法测量耦合阻抗，其组成如图2 - 8 所示： 待测慢波结构 体 图2 - 8 非谐振微扰法测量耦合阻抗示意图 作为微扰体的金属细丝被固定放置在待测慢波结构的纵向中心轴线上。矢 量网络分析仪两端分别和待测慢波结构的输入、输出头相连，完成扫频和相位 测量。待测慢波结构和微扰的结构下图： 图2 - 9 纵向视图 其中待测慢波结构的输出头结应接在集中衰减器的前部，这样既可以避免 终端效益，又可以提高矢量网络分析仪相位测量灵敏度。测量时，先在不放入 微扰体的情况下，通过矢量网络分析仪测量得到慢波结构s 参数的相位仍。再 放入金属微扰体后，测出来的相位值随即发生变化，调整微扰体的位置到慢波 结构纵向中心轴线上，测量得到相位为仍。微扰前后的相位变化缈= 仍一仍， 得到 口：鲤( 2 2 7 ) 。 l 而微扰前的相位常数风在色散测量的时候就由( 2 3 ) 式得到。由 电子科技大学硕士学位论文 p = 厶p + | b a ( 2 - 2 8 ) 得到微扰后的相位常数。( 2 2 6 ) 式中的k 为自由空间的传播常数，通过 ：厢 ( 2 2 9 ) 7 = 脬 ( 2 3 0 ) 得到围绕前后的传播常数y o 、7 ，代入( 2 2 6 ) 式就得到耦合阻抗民。 第三章冷测系统的硬件构成 第三章冷测系统的硬件构成 为了实现第二章所述色散和耦合阻抗的测量，冷测系统的硬件由计算机， 网络分析仪和慢波结构运动系统构成，图3 - 1 是冷测系统的组成结构图，图3 2 是冷测系统的实物图。 图3 - i 冷测系统的组成结构示意图 3 1 计算机 图3 2 冷测系统实物图 冷测系统中计算机功能为：一，安装基于w i n d o w s 系统的l a b v i e w 程序； 二，通过p c i 插槽安装g p i b 卡，以实现与网络分析仪的数据通讯；三，通过p c i 电子科技大学硕士学位论文 插槽安装电机运动控制卡，以实现与电机的伺服器通讯。 3 1 1g pib 总线简介蚓 1 9 7 5 年，美国电气与电子工程师协会( i e e e ) 采纳了惠普公司( h p ) 的h p - i b 技术，将其定义为i e e e 4 8 8 - 1 9 7 5 标准加以推广，同时正式将其改称为通用接口 总线( g p i b g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 。1 9 8 7 年，i e e e 4 8 8 1 9 7 5 标准 提升为i e e e 4 8 8 1 标准，明确规定了g p i