本文介紹一種螺旋線行波管的線性設(shè)計(jì)，該行波管用于通信。為保證通信信號(hào)的質(zhì)量，該型行波管必須具有較好的線性性能，如相移、三階交調(diào)等，文中將結(jié)合一種Ka頻段空間行波管的改進(jìn)過(guò)程，以相移作為線性參數(shù)的代表性指標(biāo)，分析所采取的改進(jìn)措施對(duì)行波管線性性能的提升。目前，該行波管的主要高頻參數(shù)為：相移50°(飽和回退20dB)、飽和增益50dB、互作用效率20%。

　　在空間應(yīng)用環(huán)境中，能源十分有限，各元器件無(wú)法維修或更換，并且衛(wèi)星的發(fā)射成本高昂，受這些條件限制，以空間通信為應(yīng)用背景的行波管必須具備高可靠、高效率、長(zhǎng)壽命的基本特征。

　　本文介紹的空間行波管為通信應(yīng)用。相對(duì)于模擬通信系統(tǒng)而言，數(shù)字通信系統(tǒng)具有容量大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主要節(jié)點(diǎn)多為數(shù)字通信系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中廣泛采用頻分復(fù)用、碼分多址等技術(shù)提高系統(tǒng)的傳輸容量、多用戶、抗干擾等性能指標(biāo)。采用這些復(fù)用技術(shù)時(shí)，為保證信號(hào)的質(zhì)量、降低傳輸中的誤碼率等，要求執(zhí)行信號(hào)放大任務(wù)的微波放大器具有優(yōu)良的線性性能。具體到本文介紹的Ka頻段空間行波管，可以將相移作為線性指標(biāo)的代表性參數(shù)。

　　綜上所述，為滿足通信應(yīng)用需求，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為Ka頻段空間行波管必須具備優(yōu)良的線性性能(以相移為代表性參數(shù))，同時(shí)還需具有高可靠、高效率、長(zhǎng)壽命等空間行波管的基本特征。行波管的線性性能主要受高頻性能的影響，以下從工程應(yīng)用對(duì)行波管的要求，分析本文Ka頻段空間行波管高頻系統(tǒng)必須達(dá)到的性能水平。

　　(1)線性性能

　　在實(shí)際應(yīng)用中，通信系統(tǒng)對(duì)行波管的線性指標(biāo)要求囊括許多參數(shù)，如增益平坦度、三階交調(diào)、相移、群時(shí)延、增益壓縮等等，其中最關(guān)鍵也是最具代表性的參數(shù)是相移，一般來(lái)說(shuō)，要求行波管的相移≤50°(-20dB)。

　　(2)系統(tǒng)復(fù)雜度

　　對(duì)空間通信系統(tǒng)而言，可靠性至關(guān)重要，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度對(duì)系統(tǒng)的可靠性有重要意義。從這一方面來(lái)考慮，空間行波管必須具有足夠的增益，從而減少放大鏈的級(jí)數(shù)、減少元器件數(shù)量、最終降低系統(tǒng)復(fù)雜度。本文中系統(tǒng)要求行波管增益≥50dB。

　　(3)效率

　　為充分利用有限能源，空間行波管必須盡可能提高效率。提高空間行波管的效率不外從提高互作用效率、收集極效率兩方面著手，本文只討論其中之一—提高互作用效率；采取的手段主要為提高慢波線的耦合阻抗和螺距漸變?cè)O(shè)計(jì)。

　　(4)長(zhǎng)壽命

　　衛(wèi)星必須具有足夠長(zhǎng)的壽命，才能使成本降低到社會(huì)可承受的范圍內(nèi)。國(guó)外主流空間行波管產(chǎn)品的壽命普遍達(dá)到15年以上。提高行波管的壽命一般從以下幾個(gè)方面著手：

　　①降低陰極的工作溫度；②降低陰極發(fā)射面的電流負(fù)荷；③降低膜層退化的速度；④提高和維持管內(nèi)真空度等。

　　在陰極發(fā)射面面積不變的前提下，降低陰極發(fā)射面的電流負(fù)荷就意味著降低陰極發(fā)射的總電流。反映在高頻參數(shù)上，在設(shè)定工作電壓上限的前提下，降低陰極總電流就需要盡可能地提高注波互作用效率。

　　一般來(lái)說(shuō)，空間應(yīng)用中要求行波管效率≥50%才有實(shí)際應(yīng)用的意義。從Ka波段空間行波管的研制經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，要使行波管的總效率≥50%，其高頻系統(tǒng)的注波互作用效率需要達(dá)到20%左右。

　　綜上所述，工程應(yīng)用實(shí)際對(duì)本文Ka頻段行波管的要求可概括為：相移≤50°(-20dB)，增益≥50dB，并具有盡可能高的注波互作用效率(20%)。

1、行波管高頻線性參數(shù)設(shè)計(jì)

　　1.1、高頻設(shè)計(jì)

　　本文介紹的Ka頻段空間行波管為螺旋線型。該行波管在高頻設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采取了以下幾種措施：

　　(1)選取較小的γa，提高耦合阻抗；

　　(2)采用異形介質(zhì)夾持桿(如金剛石夾持桿)，以提高耦合阻抗、降低介質(zhì)損耗；

　　(3)對(duì)螺旋線進(jìn)行表面處理，降低高頻損耗；

　　(4)采用動(dòng)態(tài)相速漸變(DVT)技術(shù)，提高注波互作用效率，同時(shí)保證非線性性能。

　　DVT技術(shù)是一種螺旋線螺距漸變?cè)O(shè)計(jì)方法，即：在高頻系統(tǒng)中，螺旋線的螺距首先變大，然后在合適位置逐漸變小，通過(guò)這種所謂的螺旋線螺距的雙漸變，造成螺旋線軸線上的電磁波相速相對(duì)于電子注運(yùn)動(dòng)速度的變化，以控制電磁波與電子注相互作用的過(guò)程，從而既提高了注波互作用效率，同時(shí)也改善了高頻線性特性。

2、結(jié)論

　　以上仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：螺旋線型行波管采用DVT技術(shù)，使用圖1中的B型螺旋線螺距漸變方案時(shí)，行波管的主要高頻性能指標(biāo)可達(dá)到如下水平———互作用效率20%、相移50°、增益50dB、總效率≥53%，能夠滿足空間應(yīng)用環(huán)境中對(duì)Ka頻段空間行波管的要求。