（物理电子学专业论文）行波管可靠性测试系统的研制和周期永磁聚焦系统的数值仿真.pdf

摘要 摘要 行波管( t w t ，t r a v e l i n gw a v et u b e ) 以其宽频带、高增益、高功率和可多模工作的优点，成为卫星、 雷达和微波通信系统中的核心器件。研制长寿命和高可靠的国产行波管，对于国民经济和国防安全具有十 分重要的意义。可靠性试验是行波管可靠性研究的重要手段，根据可靠性试验结果并依据寿命模型可以进 行t w t 的寿命预测和评估。论文进行t w - r t s ( t w t - r e l i a b i l i t yt e s ts y s t e m ，行波管可靠性测试系统) 的研制，实现了行波管可靠性试验的自动化，对行波管可靠性的研究有着重要的实用价值。 本论文前几章着重进行行波管周期永磁聚焦系统的理论分析和仿真，后几章重点阐述基于a r m 嵌入 式系统和v i s u a lc 抖程序开发语言开展的1 、t r t s 研制工作。论文主要内容如下： 第一章介绍行波管的工作原理和发展历史，并且概述行波管的重要用途。介绍了行波管在卫星、雷 达等系统中的使用要求，以及我国行波管的发展现况，阐述行波管可靠性研究的重要意义。 第二章介绍行波管结构中的加速电场和聚焦磁场的计算方法，讨论行波管中电子轨迹的分析方法。 第三章介绍周期永磁聚焦系统的原理，并且推导了周期永磁聚焦系统中电子运动方程。使用电磁分 析软件c s t 对行波管周期永磁聚焦系统中的电子轨迹进行仿真。 第四章基于行波管电源、a r m 嵌入式系统研制t w t - r t s 数据采集系统。分别从硬件和软件的两个 方面介绍t w t - r t s 的工作方式和设计原理。 第五章基于软件工程开发t w t - r t s 数据处理软件。分析1 w t r t s 数据处理软件的各种需求。并按 需求分析进行建模，得到主类、用况和场景列表。使用面向对象程序设计的概念和建模方法开发程序代码。 第人章对所研制的t w r t s 进行了实验测试。用t w t - r t s 对某型连续波行波管进行了4 8 小时连续 测试实验，对t w t - r t s 的稳定性和可靠性进行检验。 关键字：行波管；可靠性测试；周期永磁聚焦；面向对象程序设计；嵌入式系统 a b s t r 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 ( n dw i t ha d v a n t a g e so fb r o a db a n d w i d t h ，h i g hg a i n ，h i g hp o w e ra n dm u l t i m o d e o p e r a t i o np o s s i b i l i t y , a r et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si ns a t e l l i t e s ，r a d a r sa n dm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s l o n gl i f ea n dh i g hr e l i a b i l i t yt w t sa r ev e r yi m p o r t a n tt on a t i o n a le c o n o m i c sa n dd e f e n s e r e l i a b i l i t yt e s ti sv e r y i m p o r t a n tt ot w tr e l i a b i l i t yr e s e a r c h b a s e do nt w t l i f em o d e l r e l i a b i l i t yt e s tc a l lb eu s e dt ov e r i f yo re s t i m a t e t h el i f et w t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to fa t w t r t s ( t w t - r e l i a b i l i t yt e s ts y s t e m ) ，w h i c hi s d e s i g n e df o ra u t o m a t i ct w tr e l i a b i l i t y t e s t i nt h ef i r s th a l fo ft h ed i s s e r t a t i o n ，a n a l y t i c a la n d n u m e r i c a lr e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e do np e r i o d i c a l p e r m a n e n tm a g n e t i cf c u s i n gs y s t e mo ft w t i nt h es e c o n dh a l fo ft h ed i s s e r t a t i o n d e v e l o p m e n to ft w t - r t si s d e t a i l l yd e s c r i b e d i nc h a p t e r1 ，t h et h e o r ya n dh i s t r o yo ft r a v e l i n gw a v et u b ea r eo v e r v i e w e d , f i r s t l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t w t su s e di ns a t e r l i t e sa n dr a d a r sa r eb r i e f l yd i s c u s s e d a n dd e v e l o p m e n to ft w t si nc h i n ai sb r i e f l yi n t r o d u c e d a c c o r d i n g l y a n dt h e n ，t h ei m p o r t a n c eo fr e l i a b i l i t yt e s ti sd e s c r i b e d i nc h a p t e r2 ，m e t h o d sf o rc a l c u l a t i n gt h ea c c e l e r a t i o ne l e c t r i cf i e l da n dt h ef o c u s i n gm a g n e t i cf i e l di s i n t r o d u c e d t h e n ，e q u a t i o n so ft h ee l e c t r o nt l a c ea r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r3 ，t h e o r yo fp e r i o d i cp e r m a n e n tm a g n e t i c ( p p m ) f o c u s i n gs y s t e mi sd e s c r i b l e d e l e c t r o nt r a c e e q u a t i o n si np p mf o c u s i n gs y s t e ma r ed e r i v a t e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o no ft h ee l e c t r o nt r a c eu s i n gc s ts o f t w a r e i sp r e s e n t e di nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e r4 ，t w t r t sd a t as a m p l i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d , w h i c hi sb a s e do nt h et w t p o w e rs o u r c ea n d a r me m b e d e ds y s t e m i nc h a p t e r5 ，m r t sd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e d ，b a s e do nt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t so ft w t i u sd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ea r ea n a l y z e d m o d u e l so ft h es o f t w a r ea r eb u i l d e db a s eo n t h er e s u l t so fr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s t h e n ，p r i m a r yc l a s s e s ，啦汜g a s e sa n ds c e n a r i o sa r ed e v e l o p e d i nt h ee n do f t h i sc h a p t e r , c o d ed e v e l o p m e n tu s i n go o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) m e t h o di sd e s c r i b e d i nc h a p t e r6 ，a4 8 - h o u rt w tr e l i a b i l i t yt e s ti sc o n d u c t e du s i n gt h et w t - r t sd e v e l o p e di no r d e rt ot e s ti t s v a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：t r a v e l i n gw a v et u b e ；r e l i a b i l i t yt e s t ；p e r i o d i cp e r m a n e n tm a g n e t i cf o c u s i n g ；o b j e c to r i e n t e d p r o g r a m m i n g ；e m b e d d e ds y s t e m l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名： 王边日 上型缉日期：丝鳋蚋7 0 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：主尚导师签名： 4 盘日期：蚓 第一章绪论 第一章绪论 t 、胛是大功率微波通信和雷达系统的核心组成部分，它关系到国民经济的发展和国家安全。近 年来行波管更是被广泛应用到卫星、精确制导和电子对抗等领域，因此国产行波管的研制工作对于提 高我国自身科技实力和国际地位具有十分重要的意义。 本章首先介绍了行波管的工作原理，并回顾了行波管的发展历史。然后讨论了行波管中对电子注 聚焦的作用和方式，以及常用的周期永磁聚焦系统的特点。介绍了目前世界上比较常用的几种大型电 磁仿真软件。讨论了行波管可靠性试验的意义。最后简要介绍本文的主要工作。 1 1行波管简介 1 1 1 行波管工作原理概述 行波管是一种高增益的宽带微波毫米波功率放大器件。行波管以其宽频带、高增益、高功率和 可多模工作的优点，在当今微波频段的功率放大器件中占据重要地位，在现代军事电子装备中显示出 重要作用。行波管的研制涉及到电子光学、磁学、阴极电子学、微波电子学、电磁场理论、材料学、 机械与热分析诸多学科，工艺过程十分复杂。 目前，虽然已经提出了许多类型的行波管高频电路结构，但常用的主要有以下二类： l 、在宽带场合中使用的螺旋线。 2 、在大功率场合中使用的耦合腔。 行波管的结构示意图如图1 1 所示，各功能部件主要包括：阴极区( 电子枪) ，互作用区( 电子 注，螺旋慢波线，聚焦磁场) 和收集极区三个部分。 高频输入m 竺竺竺竺! ! 聚焦磁场 图1 1 行波管结构示意刨1 1 极 所有行波管使用的电子枪其工作原理在本质上都是相同的。它们主要的区别仅在于因行波管所要 求的功率不同而在尺寸、工作电压和电流方面存在差异，电子枪的结构主要包括： 阴极发射电子。 聚焦电极产生接近于球面的等位面，使电子流向阴极的曲率中心。 阳极产生电场，利用肖特基效应增加阴极的发射效率。 电子枪用来产生具有一定形状和电流强度的电子注。聚焦系统的作用是用磁场对电子的洛伦兹力 抵消空间电荷间的斥力，使电子注在通过慢波线时不致因径向扩散而被慢波线截获。电子注在和高频 场交换能量后打上收集极。高频输入端和输出端用波导或同轴线连接，分别把输入电路的高频信号耦 东南大学硕十学位论文 合到慢波线和把慢波线中的电磁波耦合到输出电路。高频信号经输入系统耦合到慢波线，沿慢波线传 输。为了使电子注与高频场能持续有效地交换能量，两者轴向行进的速度应大致相同。 1 1 2 行波管的发展历史 1 9 4 0 年5 月，l i n d e n b l a d 在他的一项关于行波管放大器的专利中，最早涉及了电子注与高频波同 步互作用可以产生信号放大的基本概念，并首先将螺旋线用作慢波电科列。这一开创性研究思想与康 夫纳( k o m p f n e r ) 的设想不谋而合，1 9 4 3 年，k o m p f n e r 研制成功了第一支行波管1 3 - 6 1 。其电子注电流在 1 8 3 0 v 时为1 1 0 肛4 ，在频率3 3 g h z 处可以实现6 倍的功率放大。1 9 4 7 年人们利用皮尔斯( j r p i r e e ) 的小信号理论制成功了工作频带宽、增益高、噪声系数低的低噪声行波管。从1 9 4 6 年到1 9 6 6 年，行 波管进入了迅速发展的时期，各国学者纷纷展开了对行波管工作特性的研究，包括注一波互作用基本 原理的探索以及行波管各个部件( 电子枪，慢波结构，收集极，聚焦系统等) 的实际制作【_ 7 1 。紧接着周 期永磁聚焦系统的研究成功使行波管的体积和重量都大为减小，更推动了行波管的应用。相应的行波 管的制造工艺日趋成熟，可靠性迅速提高。低噪声行波管曾盛极一时，然而现在低噪声行波管几乎已 完全让位于固态器件了嗍。从七十年代以来，由于固态器件的迅速发展，要求功率较小的微波接力通 信用的行波管逐渐被固态器件所替代。面对固态器件的迅猛发展，不少人认为行波管被固态器件所完 全替代只是时间问题，而且一些国家也停止了对行波管的研究工作。但是几年以后惊人的发现他们的 判断是一个极大的错误：在高频大功率的场合下，固态器件的工作电压低、体积小不再是优点反而成 了缺点。后来，由于微波接力通信、雷达、电子对抗和卫星通信的需要，功率行波管也迅速发展起来 1 9 l 。因而经过一番曲折，人们认识到行波管的优势在于高频率、宽频带和大功率领域。这正是雷达、 电子对抗和卫星通信的发展方向。随后行波管进入了一个较为平稳的深化研究和发展应用阶段l l o i ，现 正在全世界的民用、军事电子和空间技术等各个领域得到广泛的运用。 1 2行波管的聚焦系统 在行波管的波注互作用区，电子注通过一个细长的慢波系统，与慢波系统中的行波场交换能量， 将电子注的直流能量转换为需要的微波能量。由于电子注内的空间电荷发散作用，电子注将要发散开 来，致使很多电子打到慢波线上，导致慢波线发热，降低能量转换的效率( 除了极少数的几种管子设 计采用通用发散曲线形状的电子注之外) ，甚至烧毁。因此，必须在互作用区外增加磁场分布，约束 电子注的发散，使电子注维持一定的形状。同时电子注与高频电磁场相互作用，交换能量，完成电子 注的主要任务，即将电源直流能量传递给高频电磁场。聚焦系统设计的主要任务是实现电子注内空间 电荷发散力和聚焦力的平衡，使电子注波动最小，实现电子注良好的传输性制j 。行波管中使用最广 泛的是磁聚焦，通过外加磁场使电子注内空间电荷发散力与磁场聚焦力之间达到平衡，使电子注没有 波动或波动很小【1 2 】。 行波管中所使用的典型电子注的空间电荷力非常强，在没有聚焦力的作用下会迅速发散如图1 2 ( a ) 所示。利用大小相同方向相反的聚焦力，可防止电子注的发散，如图1 - 2 ( b ) 。 2 一坠翌5 鬻j 一 一# n t m t _ 第一章绪论 圈1 - 2 空间电荷力与聚焦力对电于注作用的示意图” 在行波管中这种聚焦力是由与电子注处于同一轴线的磁场提供的。人们经常使用如图1 - 3 中的 电磁线包来形成磁场。在对电子聚焦系统的讨论中首先从最简化的模型开始；首先假设磁通量不穿过 阴极，电子注仅在进入电磁线包时才第一次遇到磁力线：其次假设不存在横向速度分量( 即不考虑热 初速效应，阴极发射的不均匀或栅网效应等等) “e ”i 目i 、 v ，w ”，冀“i “h i= - l m 1 田1 - 3 行波管中使用电千洼聚焦线包示童图 电子注切* 0 磁力线的径向分量便形成了电子注的磁聚焦力( 如图l - 4 所示) 。比如，考虑在电子注 ( 及电磁线包) 轴线上方的一个电子。该电子遇到的是径向朝下的磁通分量作用在电子上的磁场力指 向纸面外，( 速度u 和磁通密度b 的舞量又积指向纸面内，而电子所受作用力与u b 的方向相反h 电十篷秤，! 器 处蹩兰翌“ ，? ：二：= 隅 团1 _ 4 电子注进入电磁线包出磁力线的分布 对于位于轴线下方的一个电子。该电子遇到的是径向朝上的磁通分量，电子受到的磁场力指向纸 面内。 随着电子注进一步进入磁场，会遇到逐渐增强的磁通董沿轴分量。再扶考察位于电子注轴上方的 电子。作为切割磁力线径向分量的结果，该电子获得了指向纸面外的速度分量。该速度分量与沿轴磁 通密度的矢量叉积是一个指向纸面外的矢量，于是在电子上的作用力指向轴心。对于其它电子所作的 类似考察亦证实这些电子都将受到朝向轴心的磁场力作用。 因此电子注的旋转( 因电子注进 磁场切割径向磁力线而形成的) 与沿轴磁力线分量的相互作用 形成了磁聚焦力。如果对电子注中的每个电子进行跟踪就会发现，电子是沿电磁线包轴线周围的螺旋 轨迹进行的，如图1 5 所示。 _ 东南人学硕1 ：学位论文 指向辘，。的径向力r f a o d r c l a 8 | j y d i l n r e w c t a e f d d 图1 - 5 在轴向磁场中的电子轨迹1 1 l 凌 均匀磁场聚焦通常有两种形态，其一是布里渊流，另一种就是浸没流或者叫做限制流。布里渊流 就是指如果趋使电子注发散的空间电荷力( 加上由电子旋转形成的离心力) 正好与趋使电子注压缩且大 小相同方向相反的磁场力平衡，并假设电子进入磁场时没有径向速度分量，那么电子注旋转通过磁场 时，其直径将保持不变。当电子注整体具有均匀电荷密度，且磁力线不穿过阴极时，所产生的磁场力 正好与空间电荷力相等的磁通量值称为布里渊值i l 引。布里渊流是一种理想的聚焦方式，在实际运用中 容易产生脉动，且不易调节。而浸没流往往能改变这种状况，因为它的磁力线时穿过整个阴极的，当 电子刚离开阴极时候就受到磁场的聚焦力i l 引。 实践中使用最广泛的磁聚焦系统除了均匀磁聚焦系统之外，还有一种是周期永磁聚焦系统。与均 匀磁场聚焦系统相比，周期永磁聚( p p m ) 焦系统具有以下优点： 1 、体积小、重量轻。与线包相比，周期永磁系统的重量可以下降一至二个数量级。 2 、本身不耗功率。 3 、杂散磁场小。由于系统中每块磁体所产生的外杂散磁场有相互抵消作用，只要在磁系统外面 加以简单的屏蔽铁壳就能使杂散磁场降低到可以忽略的程度。 4 、具有包装式结构，使用方便。( 其结构如图1 - 6 所示) k ss，唯ssq、暑q 1 3 电磁分析软件概述 图1 击轴心纵向磁场分布图 电子光学从它诞生至今经历了八十多年的发展历程，特别是经过上世纪六七十年代的蓬勃发展， 已建立了完善的理论体系。采用计算机数值计算方法和c a d 技术进行行波管电子光学系统的设计， 4 第一章绪论 也极大地促进了电子光学理论的发展和完善。由于计算机速度快、容量大，可以直接求解电子光学问 题，从而大大减小了数学分析中的近似和假设，提高了工程设计的速度和精度。因此电子光学系统 c a d 技术是研究和实现强流电子光学的重要工具。计算机速度快的优点特别有利于进行设计方案的 比较和优选，以确定最佳结构，并可以对各种因素的影响进行详尽的分析，进一步提高设计质量。 由于电磁问题的复杂性，采用解析方法很难取得满意的结果，而且对于复杂边界的情况一般不能得到 解析解，计算机的飞速发展为电磁场数值分析的广泛应用奠定了良好的基础。微波电子学的数值模拟 其实就是在给定边界条件和初始条件下，对m a x w e l l 方程和l o m n m 方程进行求解。求解m a x w e l l 方 程组的关键问题是在含有任意实际结构形状、任意媒质分布的二维和三维空间内寻找方程的数值计算 方法。这种算法适用于各种电磁现象，如静电场、静磁场、静态流、涡流场、高频波导和谐振腔、天 线、高频时变电磁场以及带电粒子与电磁场互作用交换能量等。具体说来就是直接求解电磁场或电磁 通量密度，或是引入矢量位、标量位等中间函数，通过有限元法( f e m ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、有限 差分法( f d m ：f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) ，有限积分法( f i m ：f i n i t ei n t e g r a lm e t h o d ) 、边界积分法( b i m ： b o u n d a r yi n t e g r a lm e t h o d ) 或其它数值计算方法得到各类电磁问题的数值近似解。对于带电粒子在电 磁场中的运动，采用粒子模拟( p i c ：p a r t i c a li nc e l l ) 方法，能获得精确的结果。目前国际上已有许多 大型电磁分析软件，涌现出c s t - m w s ，a n s y s ，a r g u s ，g u n 3 d ，m a g i c ，m a f i a 等许多模拟 计算软件。这些软件可以对复杂的几何结构、复杂的媒质分布、各种初始条件下的各种电磁现象进行 数值计算。 1 3 1 具有代表性的集中大型电磁分析软件 目前国际上的大型电磁分析软件各有自己的优势和缺陷，这里我们将对经常使用的几种模拟软件 作简要介绍。 1 ) m a g i c l l 5 1 m a g i c 程序是由美国m i s s i o n 公司开发的采用时域有限差分算法、电磁粒子模拟的程序，该程 序从1 9 7 8 年在美国推出，经过多年的补充和完善，陆续在美国、英国、俄罗斯、意大利、中国等国 家推广使用。m a g i c 程序得到了国际上研究粒子模拟专家的公认。目前该软件已经推广了基于 w i n d o w s 和u n i x 操作系统的全三维版本。由给定的初始和边界条件，就可以计算电磁场或粒子的时 间演变过程，也可以计算电磁场与带电粒子的互作用。m a g i c 程序最大的特点是可以根据实际情况 对空间结构、场和粒子算法、初边界条件、介质特性及输出方式进行设定，因而可以模拟出许多实际 的电磁场与粒子运动物理现象。现在m a g i c 已成功应用于研究和设计微波放大器、天线、光纤、激 光、加速器元件、束流传输、脉冲功率发生器、等离子体开关、微波等离子体加热、离子源、场发射 阵列、半导体器件、波散射以及耦合分析。 2 ) h f s s i l 6 】 h f s s 是美国a n s o f i 公司采用有限元算法的一个计算电磁结构的交互式软件。该软件是一个得到 广泛应用的三维有限元电磁模拟分析软件，主要应用于射频、无线通信、封装和光电子学领域。在电 磁场领域，可以使用h f s s 计算基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；端口特征阻抗和 传输常数；s 参数和相应端口阻抗的归一化s 参数：结构的本征模或谐振解等 3 ) c s t 【1 7 1 c s t 软件采用有限积分法( f i n i t ei n t e g r a t i o nt e c h n i q u e ) ，其主要产品： c s t 微波工作室( c s t m i c r o w a v es t u d i o ) 是目前高频应用领域最快、最准确的仿真工具， 其应用领域包括：天线、滤波器、耦合器、平面和多层结构、r c s 、e m c 、e m i 等。c s t 微波工作室可计算任意结构、任意材料的物体，它包含时域、频域和本征模三个求解器，具 有二套网格：六面体网格和四面体网格； c s t 设计工作室( c s td e s i g ns t u d i o 卜是一个非常有用的仿真工具，它通过把大系统 分解的方式进行系统级仿真，可进行3 d 电磁场和电路的协同仿真。含有线性和非线性微波 5 东南大学硕上学位论文 元件库。可用于有源电路的设计仿真； c s t 电磁工作室( c s te ms t u d i o 卜主要处理静电、静磁和低频电磁场的分析和设计，主 要应用于：传感器、驱动装置、变压器、测试仪器和电磁屏蔽： c s t 粒子工作室( c s tp a r t i c l e 卜一这是一个非常专业的产品，主要应用于电子枪、行波 管、速调管、磁控管、聚焦线圈、磁束缚、粒子加速器等自由带电粒子与电磁场的自洽相互 作用的仿真分析【1 阳4 1 。 m a f i a 软件是德国c s t 公司开发的功能强大的全三维电磁软件。该软件作用有限积分算法， 生成一系列电磁场矢量的有限差分方程，这些方程可用于由m a x w e l l 方程导出的静态、频域 和时域问题的求解。具有良好的图形用户界面，包括十几个功能模块：m ( 网格发生器) 、 s ( 静态求解器) 、e ( 本征求解器) 、他和t 3 ( 二维和三维时域求解器) 、t s 2 和t s 3 ( 二 维和三维粒子模拟) 、w 3 ( 频域求解器) 、h 3 ( 三维热力学求解器) 、t l 3 ( 三维低频时域求 解器) 、0 0 ( 优化模块) 、p ( 后处理模块) 等。 1 4论文研究背景及意义 行波管发明至今已有半个世纪，由于它的优良特性，在雷达、电子对抗、制导、通信等领域得到 了广泛的应用，促进了这些领域的发展。反过来这些应用在其自身的发展过程中又对行波管提出了新 要求，推动了行波管的发展。总的说来就是要求行波管向更高的频率，更宽的工作带宽，更高的效率， 更好的非线性特性，更可靠、更好的环境适应性和更长的寿命方向发展。为了满足使用的要求，目前 行波管主要在下列方面进行研究： ( 1 ) 寻找新的慢波结构，扩展行波管的工作带宽。 ( 2 ) 高导流系数电子注的获得，增大行波管的功率。 ， ( 3 ) 寻找更好的阴极，更好的磁钢，更好的材料，以满足行波管日益越来越高的要求。 ( 4 ) 改进制造工艺，提高行波管的一致性和可靠性。 ( 5 ) 改进行波管理论，发展计算机模拟技术。 西方国家在1 9 6 3 1 9 8 0 年发射了1 3 4 颗卫星，其中1 2 2 颗卫星使用行波管1 0 7 0 只，在1 9 8 1 1 9 8 6 年发射卫星6 3 颗，其中5 8 颗卫星使用行波管l l l 7 只。时间在前进。科技在进步，天空中的卫 星不仅数量增长了，而且性能更加完善和扩展了。美国空军研制的多功能卫星，称为“全球多功能业 务平台( g m s p ) ”系统，该系统由2 4 颗卫星组成，在提供全球定位导航( g p s ) 服务的同时，还能提供窄 带和宽带通信，卫星寿命为1 3 1 4 年。 空间行波管是星载转发器和星载合成孔径雷达( s a r ) 发射机的关键部件，其作用主要是微波功率 的末级放大。行波管性能的可靠性和整体表现直接关系到卫星系统的设计生产成本，随着现在卫星担 负越来越多的科学任务，对行波管的要求也越来越高。通常行波管要消耗卫星的8 0 以上的电能，所 以提高可靠性和工作效率是一个必然的要求。如果在这样的一个卫星系统中行波管出现故障，那么对 于整个系统来说是致命的。空间行波管的特点可作以下的简要概述： ( 1 ) 必须具有高效率，因为卫星在天上运转，其能量是有限的，而星上能量的8 0 9 0 要用于行 波管，所以行波管必须具有尽可能高的效率，以节省星上能量。 ( 2 ) 空间行波管具有不可维修性，有的卫星具有十多年甚至更长的寿命，因此空间行波管必须是 高可靠长寿命的。 ( 3 ) 行波管应做到轻重量，以减轻卫星总体载荷。 ( 4 ) 空间行波管的功率和增益性能应满足转发器的要求，随着转发器功率的不断增大，对行波管 也提出了大功率的要求。 6 第一章绪论 ( 5 ) 为保证信息传输的高清晰度，行波管的噪声功率必须很低1 2 5 l 。 我国对于行波管的可靠性研究具有十分重要的意义主要因为：目前我国空间行波管主要依赖进 口；国产空间行波管( s t w t ) 的可靠性尚未得到严格验证；长寿命空间行波管的失效机制有待深入 研究。可靠性试验的作用是通过试验结果的统计分析和失效分析，对产品进行可靠性评价，找出可靠 性薄弱环节，提出改进措施，提高产品的可靠性。因此，可靠性试验是可靠性工程学中非常重要的一 个分支。导致行波管失效的因素很多，为了能提高国产行波管的性能，通过可靠性试验找出失效因素 是非常必要的1 2 6 - 2 9 j 。 1 5论文组织形式及主要工作 本文的主要工作包括两个部分：第一部分对周期永磁聚焦系统进行理论分析，使用c s t 软件对 聚焦系统中的电子注进行电子轨迹仿真；第二部分基于工控机、a r m 嵌入式系统和行波管电源，研 制了t w t - r t s 。 ， 一 本论文的主要内容如下： 第一章绪论 简单介绍行波管和周期永磁聚焦系统的国内外发展动态；介绍行波管可靠性和可靠性试验的重要 性。在本章中还介绍目前比较常用的电磁学计算方法和电磁分析软件。 第二章电子注轨迹的解析理论 主要从电磁场计算的根本麦克斯韦方程组出发，分析离开阴极的电子运动规律；讨论电子运 动方程。将爱因斯坦相对论理论引入电子运动方程；讨论电子质量和电子速度以及加速电压之间的关 系。分析行波管结构中电场和磁场的计算方法，并且利用这些方法讨论电子运动方程的计算方法。 第三章行波管周期永磁聚焦系统分析 介绍行波管的周期磁场永磁聚焦原理；讨论周期永磁聚焦系统中的电子运动方程。使用c s t 软 件对聚焦系统中的电子注轨迹进行仿真研究。 ， 第四章t w t r t s 研制 整体介绍可靠性测测试系统结构一基于a r m 嵌入式系统的行波管数据采集系统的设计方法。具 体分析了电源信号采集、信号的隔离与传输和a r m 系统控制等方面的研制工作。 第五章t w t - r t s 数据处理软件的设计方法 介绍t w t - r t s 数据处理软件的设计方法。介绍了软件研制工作中使用到的软件工程学方法，描 述t w l 玎s 的建模过程，进行模块化的程序设计。开发一个适用于多种型号行波管的可靠性试验数 据处理系统，并且预留可靠性分析模块。 第六章行波管可靠性试验 介绍行波管可靠性试验的目的、步骤和结论。 第七章全文总结 7 东南人学硕t ：学位论文 第二章电子注轨迹的解析理论 行波管中电子运动的规律是设计行波管的基础。研究电子的运动方式就需要知道在它周围电场和 磁场的存在形式，以及在这些电磁场中电子的一般运动规律。本章首先讨论行波管中电场、磁场和电 子运动轨迹的解析方程。然后根据电子高速运动的相对论理论，对电子的运动方程进行修正。最后， 介绍了行波管周期永磁聚焦系统中电子的运动方程及其计算方法。 2 1电磁场中电子运动的一般计算方法 电子注在均匀场和周期场中的传输和聚焦特性已有许多学者在很多文献中进行过十分透彻的阐 述，在这些论述中大都假设电子注具有层流性，这种简化可以确保只通过计算电子注边缘单个电子的 轨迹从而获得问题的完整解。电子枪中常用的“布里渊”磁场就是以层流性假设为基础的。哈克尔p o j ( h a r k e r1 9 5 7 ) 等人证实了层流性电子注在实际应用中不大可能获得，但是在电子热初速足够小的情况 下却是一个很好的近似。 要研究各种电子光学现象及进行计算和设计，首先必须了解电子在电场和磁场中的运动规律。要 研究电子在由电子光学系统所确定的电磁场中的运动规律，又必须首先知道电磁场的具体分布，这是 电子光学系统首先面临的问题，也是研究电子运动规律必不可少的第一步。求解电磁场分布问题，在 数学上归结为求解偏微分方程的边值问题。但能得出电磁场问题解析解的情况是有限的，大多数情况 下只能应用各种数值计算方法借助计算机来确定场的分布。 本章研究基于如下假设： 1 、涉及的场为静态场，即场与时间无关或随时间缓慢变化。即便研究电子注在互作用区的聚焦 问题时，也忽略高频场的影响( 即高频散焦问题) 。因此静态场仅是空间坐标的函数，即抛= 0 2 、强流电子光学所研究的范围仅限于真空中。因此微分形式的m a x w e l l 方程组为： v d = p v e = 0( 2 1 ) vx 厅：了v 雪：0 ( 2 2 ) 式中：d = e 是电位移矢量，e 是电场强度矢量，b = 风h 是磁感应强度矢量，日是磁场 强度矢量，p 是自由电子空间电荷密度，j = o e 时电流密度矢量，仃是介质电导率， 氏= 8 5 5 4 1 0 - 1 2 f m 是真空介电常数，= 4 万1 0 叫月m 是真空磁导率。 在空间中不同介质的交界处，由于介质突变，所以交界面处的场量也要突变，边界条件就表达了 场矢量e ，d ，召，日在不同媒质分界面上的突变规律。由麦克斯韦方程组的积分形式可以导出电磁场边 界条件： 疗( 岛一互) = 0n ( 岛一q ) = 风 ( 2 3 ) 甩( 日2 一h 1 ) = 以 丹( 岛b i ) = 0 ( 2 4 ) 式中n 是界面s 的外向法线方向上的单位矢量，以是分界面面电流密度，p ，是面电荷密度。由 方程( 2 1 ) 中静电场的无旋性，可引入标量电位u ，令： 豆= 一v u ( 2 5 ) 这样，方程( 2 1 ) 的第一个表达式可以化为： 8 第二章电子沣轨迹的解析理论 v 2 u 一 上式为p o i s s o n 方程。当研究区域不存在空间电荷，即p = 0 时便得到l a p l a c e 方程： v 2 u = 0 由( 2 1 ) 式中静磁场的无源性，可以引入磁矢位彳，令： b = v 彳 则方程( 2 2 ) 中第一式可化为： v ( 去v j 卜 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 研究行波管永磁聚焦系统中的电子运动的性能，就必须研究电子在给定电磁场中的运动规律。 2 1 1电子质量相对论修正 电子是带负电的基本粒子，具有波粒二象性，当工作电压高于5 0 k v 的高压时，在行波管聚焦系 统中必须考虑电子的相对论效应，此时电子注自磁场效应变得十分重要。电子注的自磁场作用力将部 分抵消空间电荷排斥力，使其发散作用削弱，电子注扩散变慢。 分析行波管中的电子运动，都要考虑由电子产生的电场作用。这部分的分析中主要从p o i s s o n 方 程出发。直角坐标系中的p o i s s o n 方程： v 2 v ：善y + 旦y + 霎v ( 2 1 0 ) a 1x a 2 y a 1z 通过坐标变换可以将p o i s s o n 方程变换成在圆柱坐标和球坐标下的形式，但是算符v 2 在实际数据 计算中显得十分复杂，所以在计算时根据具体的几何尺寸利用对称和近似措施，从而使计算得到简化。 在没有空间电荷时p o i s s o n 方程被改写成l a p l a c e 方程： v 2 y = 0( 2 。1 1 ) 分析电子产生的静电场的另一个重要的原理就是高斯定律，它将某一电荷分布所形成的电场与该 电荷分布联系起来，其微分和积分形式： v e = 上( 2 1 2 1 ) s o 牡布：旦 ( 2 1 2 2 ) ； e 0 其中，积分所包围的面积为s ，电场为e ，该区域所包围的总的正电荷为q 。通过对高斯定律的 简单分析可以得到带点球体的内外电位分布图，图2 1 是一个直径为2m m 电子密度为3 x1 0 1 1e c m 3 的圆球内、外的电位分布。 在行波管中电子注的运动会产生磁场，但其磁通密度非常小，通常要比用于电子注聚焦的磁通密 度低三个数量级，所以它的作用通常可以忽略不计。 9 东南人学硕十学位论文 2 1 s1 o 0 50o 51 0 s2 径向位置r 删p f t i o n t m ) 图2 1 带点圆球电位分利1 l 在行波管中的电子枪和收集极中，总是利用直流电压来产生使电子加速或减速所需要的场。电子 在加速场中受到由横向电场施加的加速电压在平行方向运动。 电子受到的电场力： 经过加速场电子动能： 经过加速场的电子速度： f = 所鲁= 一以 !m甜：三研芦e：】2fz：埘：z22。所“ 2 甜： 丝】：5 9 3 1 0 5 痧( m s ) ( 2 1 3 1 ) ( 2 1 3 2 ) ( 2 1 3 3 ) 式中t 为沿电子运动方向z 向的电场分量，可以看出电子的速度与加速电压的平方根成正比。 但是这仅仅能在电子注的速度远远低于光速的时候才能够成立，因为只有在这种情况下，我们可以假 设电子的质量是常数。但在电子注速度接近光速的时候，根据相对论粒子的质量要随速度的变化而变 化，此外质量还与能量有关： w 2m c ( 2 1 4 ) 对一电子施加电场力f 经过一段距离d z 的加速，那么所消耗的能量d w 和电子所增加的质量有以 下关系： 肋= d w = c 2 咖 ( 2 1 5 ) 通过变换可以得到电子质量和速度变化的关系是： i n m = - 寺1 n ( c 2 一材2 ) + 常数 ( 2 1 6 ) 二 不难看出：当电子静止时它的质量便是“静止”质量m ，所以 m ：堡 ( 2 1 7 ) 1 - 筹】 c 电子在加速场中经过加速电压的作用由静止达到具有一定的动能，那就可以考虑电子经过如距 离加速所消耗的能量为c 2 d m ，另外假设加速电压是由电场强度为e 来施加的。那么可以得到下面的 关系： 1 0 第二章电子注轨迹的解析理论 卜石1 ，必( 1 + 二) k ：笪：5 1 1 1 0 5 v 卜专- - ；- ) 】2 ( 1 + 2 埘训+ 专 套 趔季 鬟 脚口 口 pn l 雹 匹善 z n o m m j i z o c ! v o ；t a o e v 7 ) 妇一亿运霪 图2 - 2 归一化电子质量与速度和电压的关裂1 l ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 电子光学是研究带电粒子在电磁场中的运动规律以及如何利用电磁场控制带电子运动的科学。强 流电子光学研究强流电子注的产生、成形、传输和收集。下面给出强流电子光学问题普遍遵循的基本 方程，包括电子运动方程和电流连续性方程。 v 2 肚一 q 2 3 ) 1 一一 v ( 二v 么) = ， ( 2 2 4 ) 要( 朋1 ，) ：一e ( e + v x ? ) ( 2 2 5 ) 口1 v 歹= 0 ( 2 2 6 ) 在微波器件中，电子注产生的自磁场通常是很弱的，它对电子注的影响比起电场和外磁场来说要 东南犬学硕l ：学位论文 小得多，所以上面的方程组的( 2 2 4 ) 中的j 为励磁电流密度，不包括电子注电流密度，它仅用来求 勰磁系统的磁场分毒，与方程( 2 。2 3 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 。2 6 ) 无关。 这是一组相互制约的方程，要求解电位n 就要知道空间电荷密度p ，而p 与电子的运动状态有 关，电予的运动状态又取决予空闻电位矿的分布，因此求解为一闭环自洽过程。 2 1 2 行波管中电场计算 ? 在行波管系统中，如果系统继构栩对于菜一轴( 如z 辚) 旋转对称，剃该系统称为辘对稼系统，其 场分布为轴对称场。轴对称系统通常采用圆柱坐标系( z ，“口) 来研究电磁场和电子运动。则上述的 l a p l a c e 方程在圆柱坐标下的形式为： 害弓竺+ 窑4 - o ro r 祟0 0 = o 晓2 7 ) 一+ 一+ 一一= l l l， 瑟2，i 22 不难看出点位函数y ( 名，回与旋转角度护无羡，则可以得到：器= o ，暑蒡= o ，则上式变为： 娶+ 三型+ 罂+ ：0 ( 2 2 8 ) 在没有空间自由电荷情况下，y 及其各阶导数怒连续可导的，即矿是解析函数，所以可以将v 展 开成幂级数弱1 。