空间行波管群时延失真的物理机制与抑制技术研究

The space-borne traveling wave tube(TWT) is a core component of satellites and space shuttles and is required to have most comprehensive performance.The group delay distortion is a key index of space-borne TWT, which directly affect the bit-error-rate of satellite communication,the precision of the time synbchronization and psedu-range measurement of navigation system. Because of the shortage in the theoretical research on the group delay distortion mechanism, the effective enginerring technology to supress group delay distortion is not quite mature,which results in degradation of TWT performance. To reduce the group delay distortion, while maintaining the high efficiency, high linearization and such performance requirement, it is urgently required to study the mechanism and suppression technology of the group delay distortion in space-borne TWT..A nonlinear analytical theory model is to be developed based on the interaction between Eulerian electron beam and the electromagnetic wave. By harmonic series expansion in the exponential phase, the physical model, which accurately describes the nonlinear precess of the beam wave interaction in TWTs,is established, and the performance indexes reflecting the beam wave synchronization and group delay distortion are obtained. Further, the mechanism of the group delay distortion will be explained and the suppression method will be obtained.

[研究意义]：空间行波管作为综合性能要求最高的一类行波管，是空间各类卫星和航天器的核心部件。群时延特性是空间行波管的一项关键指标，直接影响卫星通信的误码率、导航系统的时间同步精度、测控系统的伪码测距精度等。由于缺乏对空间行波管内群时延失真产生机制的理论性研究工作，目前用于抑制空间行波管群时延失真的工程技术手段往往顾此失彼，导致管子整体性能大幅下降。因此，为了在保证空间行波管高效率和高线性度等主要性能指标的同时，降低群时延失真，须深入研究空间行波管中群时延失真的物理机制及抑制方法。.[研究内容]：本项目拟发展基于欧拉体系的电子注与电磁波相互作用的非线性解析理论，通过在指数相位上进行谐波展开，建立可以更准确地描述空间行波管注-波互作用非线性物理过程的物理模型，获得反映注-波互作用同步状态以及反映群时延失真等非线性特性的指标参量，解释群时延失真产生的物理机制，提出抑制群时延失真的方法。

本项目分析了相位分布谐波展开建立欧拉非线性理论的优势，通过在指数相位上进行一阶谐波展开，得到零阶和一阶分量的运动方程，对场方程用相位谐波进行处理，联立运动方程和场方程进行解析求解，最终建立欧拉体系注波互作用非线性理论。分析相位谐波的零阶和一阶分量的物理意义，分析不同近似条件下的物理模型精确性。通过群时延产生原因的数值分析，确定群时延产生分为两个部分: 慢波系统本身导致慢波电路色散和不同频率下同步不一致的注波互作用色散。小信号区域以线性理论为主，并以皮尔斯小信号理论为基础，建立小信号下的群时延解析理论模型，大信号区域，场相位迅速发生变化扭转，其原因是由表征能量的零界分量导致偏移，因而以欧拉非线性理论为基础，建立大信号下的群时延解析模型。对行波管内其他非线性失真进行探讨，建立了行波管内三阶互调的快速计算模型。该模型只需中心频点的单频功率扫描得到的增益和相位失真曲线数据即可实现三阶互调分量的快速计算。同时推导了完全线性状态及相位失真状态下的三阶互调模型,并解释互调的产生原因。探讨了增益平移和增益缩放对三阶互调的影响。比较了群时延失真与其他非线性失真的异同。通过对行波管结构的关键尺寸进行分析，确立了两类显著影响群时延失真的参量，通过对欧拉线性理论、非线性理论以及拉格朗日体系的非线性理论多重印证，确立了这些参量的变化规律及抑制群时延失真的方法。.本项目实施过程中，在国内外期刊和本领域重要的国际会议上发表论文30篇，其中期刊论文11篇。培养研究生12名。申请国家专利4项其中授权1项。