螺旋线行波管的信噪分离

论文总字数：26225字

摘 要

关键词：螺旋线；行波管；小波变换；阈值；噪声；分离

Separation of signal and noise in helix TWT

06011111 Gu Zhifeng

Supervised by Shen Changsheng

Abstract:In this paper, in order to improve the performance of helix traveling wave tubes further , so that it can reflects the advantages of high power, high efficiency, high gain and wide bandwidth, etc.. in application. .CST simulation software is used for helix traveling wave tube in wave injection interaction region simulation, through analysis to find the source of noise and explore ways to control noise and separation of noise. we know that TWT noise sources are the following: noise ion shock ,noise and impedance matching noise, electron emission noise and secondary electron emission noise, etc.. The paper is aimed at wavelet threshold method for three different noisy signal with no distortion and data accuracy. The main idea is to control the variables---For the same noisy signal, lateral comparison of five wavelet threshold function denoise methods at the same basic functions; For the same noisy signal, longitudinal comparison of three wavelet basic function at the same wavelet threshold function denoise method. SNR and MSE are selected as parameters. Finally, combining the calculation with actual images, conclusion is that the new improved wavelet threshold method is a better one; when denoised with the same wavelet threshold method, the best results can be obtained at the basic function Coif4.

Key words: Helix ; TWT ; Wavelet Transform ; Threshold；Noise; Separation

目 录

摘要 1

关键词 1

Abstract 1

Key words: 1

1.绪论 1

1.1引言 1

1.2研究意义 1

1.3研究概况 1

1.4本文的主要工作 2

2.行波管 4

2.1行波管的发展与概况 4

2.2行波管的功能与原理 4

2.2.1行波管的特点 4

2.2.2行波管的工作原理 5

2.3行波管的主要性能参数 5

2.3.1螺旋线行波管的功率和带宽 5

2.3.2行波管的效率 6

2.3.3行波管的增益 6

2.3.4行波管的相位 6

3.小波变换和小波去噪 7

3.1小波变换 7

3.1.1小波变换的产生 7

3.1.2小波变换的注意点 7

3.1.3小波变换的应用 7

3.1.4小波变换的发展 8

3.2小波去噪 8

3.2.1小波去噪的概述 8

3.2.2小波去噪的发展 8

3.2.3 小波去噪的实质 9

3.3小波阈值去噪 9

3.3.1小波阈值去噪的基本原理 9

3.3.2小波阈值去噪的描述 10

3.3.3小波阈值去噪的参数 10

3.4傅里叶变换和小波变换的比较 12

3.4.1基本思想的区别 12

3.4.2实际应用的区别 12

4. 仿真与分析 13

4.1主要思路 13

4.2小波基函数 13

4.2.1 Haar小波 13

4.2.2 Daubechies小波 13

4.2.3 Symlet小波 13

4.2.4 Coilet小波 13

4.2.5 双正交小波 13

4.3阈值函数 14

4.3.1硬阈值 14

4.3.2软阈值 14

4.3.3 Garrot阈值 14

4.3.4 Semisoft阈值 14

4.3.5 改进小波阈值 14

4.4仿真步骤 15

4.5数据分析 15

4.5.1信号函数blocks的数据分析 15

4.5.2信号函数bumps的数据分析 20

4.5.3信号函数doppler的数据分析 25

5.总结 30

致谢 31

参考文献 32

螺旋线行波管的信噪分离

1.绪论

1.1引言

行波管的实质就是具有放大功能的微波电子管，其主要原理是通过改变电子的注入速度来进行调制，最终实现功率放大。需要注意的是，在整个过程中与调制电子注发生动能与场能交换，从而放大信号的来源是慢波结构中的微波信号场。由于电子的不断注入，慢波电路中的电子不断增多，速度也不断变大，能量也相应地不断增强，电子注和微波信号场就会持续进行这样的一个过程：接受调制的电子注不断地将自身的动能移交给场，微波场接收到相应的能量后，场内功率增大，信号也就随之被放大。由于慢波结构距离较长，电子注需要长时间才能穿过，能量交换的时间也相应延长，获得的增益就比较高；另外一个优点则是由于电路结构中不存在谐振腔，那么带宽也会大大增加。整个电子注动能与微波场能交换能量的过程大致分为三步：第一，由于待放大的信号需要优先进行能量耦合，故而在前级应设置一个能量耦合器；第二，经过能量耦合的信号以一定速度进入到慢波电路中，此时对电子注速度进行调制，使其与微波信号场产生相互作用；第三，在场的作用下电子动能与微波场能发生转移，最终得到所需的放大信号。

1.2研究意义

行波管的作用是将微波功率放大，在当今不同领域都发挥着至关重要的核心作用；作为微波器件中的重要一员，现代行波管已出现在电子对抗、中继卫星、电视直播、遥感导航、遥控勘测等电子设备中。其中耦合腔慢波电路行波管由于峰值功率较高、平均输出功率远高于其他行波管设备而备受青睐，另外其增益高、噪声低、动态范围大等特点也被广泛应用于军事搜索和警戒方面。

1.3研究概况

人们在行波管发明之初就同时注意到它的噪声性能和增益宽带。因为在当时的微波接收系统中，除了使用晶体管混频作为接收器件之外，还没有任何器件能作为微波接收机的高放，人们因此对新生的行波管抱有很大期望。由最初的有关论文显示，工作于1800伏电压的行波管有11.5分贝的增益和11.1分贝的噪声系数，这在当时已经算是较低噪声了；之后人们为了使其获得稳定的高增益还在行波管中加入了集中衰减器，但是却发现噪声系数高达25到30分贝，因此在高增益和低噪声两个共同追求下，对于行波管噪声的研究具有非常实际的意义。

随着科学技术的不断进步，体积更小、性能更优越的半导体固态器件代替了雷达接收机的前级放大，然而行波管却并未因此受到冷落；相反，在重要的雷达等搜索系统的核心发射机中，高效率、低噪声的行波管器件发挥着愈发关键的作用。首先，它能大大地对抗敌方干扰。由于行波管的工作频带比其他大功率器件更宽，就可以在频带内迅速改变频率，甚至可以做到脉内调频或脉间跳频。利用脉内调频技术还可以实现脉冲压缩，从而可以在平均功率不变的条件下提高脉冲功率，增加探测距离；其次，可以利用其制成定位更加精确的先进雷达系统为军事和勘测行业服务。因为只要将行波管放大器配上高稳定度的前级振荡器，就可以得到其他器件无法比拟的频率稳定度。但是目前在噪声方面仍有很多工作需要改进与完善。其一，因为阴极是产生电子注噪声的主要来源，所以首要任务是改进电源和阴极；其二，减小整个系统的体积和重量也显得越来越重要，这可以通过升级整个管的设计和工艺结构或改进磁性材料的性能及聚焦系统的手段来实现；然而军事、工业的要求日益提高，企业核心技术的竞争也日益激烈，探寻高效创新的去噪技术也是电子时代的主题之一。例如从空间电荷波中进行信号去噪、关于外加反馈电路和电源稳定系统的研究以及最低电位物理状态的研究等。

1.4本文的主要工作

行波管的优点有很多，比如它的工作区域频带比较宽，实际增益较高，另外工作时噪声较低，不会对环境产生过大的影响。最主要的还是行波管可以进行多模工作，提高工作效率、节约时间。因此在如今许多领域如军事、工业、民用的改革与发展上发挥了举足轻重的作用；与此同时也是目前军事民防上最受青睐的微波真空器件。随着科学技术的不断更新与发展，国家与国家之间，企业与企业之间以科技创新为核心的竞争也日益激烈，如何研制出更加高效实用、节能环保、价格低廉的新型器件成为时代的主要课题之一。因此如何研制出更高效、更实用、更环保的行波管也成为当今电子时代的新任务。

本文着重于进一步提高螺旋线行波管的性能，使其在军事、工业与生活中发挥更为重要的功效。在前期通过查阅各类文献了解行波管的产生历史、发展现状及各项主要性能参数，再通过翻译论文资料和国内外相关课题对经典的信号去噪方法进行汇总与调研，从而对整体方案进行初步论证，得到导师许可后开始撰写开题报告；中期运用CST软件对行波管信号进行仿真，依据得出的数据与图表分析其噪声来源，综合比较各种去噪方法的性能优劣，并进行参数估计，找出相对最佳的信号去噪方法，再运用结论对行波管进行信噪分离；后期为了保证数据的严谨与操作的完善，必须对仿真结果进行校验，归纳总结后再撰写论文。

课题的关键问题包括：

（1）信号去噪是课题的关键，而对一个信号进行去噪的方法种类繁多，比较典型的有：有限脉冲响应滤波器去噪，小波变换去噪等等。究竟如何选取一个相对最佳的去噪方法对螺旋线行波管进行信噪分离，从而进一步提高其性能。

（2）如何在众多影响因素中分析螺旋线行波管的噪声来源，区分主次，抓住去噪问题的关键。

（3）一个较为优异的噪声控制方法应该以较小的衰减和脉冲失真为前提，并拒绝或抑制较多的干扰。为比较各种方法的优劣，将选择和考虑分析螺旋线行波管的哪些主要性能指标。

（4）怎样准确高效地对螺旋线行波管的实验数据进行样本采集，对于采集完毕的数据怎样运用合理恰当的分析方法进行参数估计；怎样运用仿真工具在理论和数据的支持下对螺旋线行波管进行信号与噪声的分离处理。

（5）怎样对计算数据进行归纳总结、分析比较，最终得出较为完善的结论。

2.行波管

2.1行波管的发展与概况

行波管的优点十分显著，比如工作频带宽、输出功率大、效率高、动态范围大、环境适应性强等，是目前使用最多最广的微波电真空器件。目前行波管波注互作用研究的理论基础是[1]基于皮尔斯（J.R.Pierce）于 1947 年系统发表的行波管理论，这一套重要的体系为日后研究切实可行的高效行波管提供了理论依据。在此之后，科学家们不懈努力，行波技术也是日新月异，输出功率逐渐可达连续波千瓦级和脉冲兆瓦级的行波管被相继研制开发出来，行波管的波长范围终于也能达到从1m到1mm的精密级别，并广泛应用在民用工业、空间技术和军事等多个领域，成为支撑起国防建设和国民经济的关键性核心基础器件[2]。

图2-1 行波管

行波管通过连续的调制来改变电子注速度，达到电子注的群聚现象，最终实现功率放大。在这种微波电子管中，受调制电子注与行进的微波场发生相互作用，在慢波电路的作用下，电子注连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得以放大。由于在高频率工作的情况下行波管有着诸多优点。其中高效率、高功率是其最显著的优点，所以行波管放大器在雷达、电子对抗以及卫星通信等众多领域中成为一种主要的高功率射频放大器。

降低行波管的噪声干扰一直是科学界的重要课题，低噪声行波管的突出优点是:极宽的频带、大功率和动态范围、低噪声系数及稳定的高增益。目前低噪声行波管主要应用于电子对抗及某些雷达和通信系统。从频率上来看，在低于1 GHZ的大部分领域之中，行波管正逐渐被晶体管放大器所取代；但在高频段大功率的领域之中，行波管仍处于不可替代的地位。

2.2行波管的功能与原理

2.2.1行波管的特点

行波管的特点是效率高、功率高、增益高、频带宽，增益一般稳定在25～70分贝范围内；而且行波管具有诸如动态范围大，适用范围广等其他显著的优点，它的频带宽度最高可以达到100%以上。就目前研制出的高效行波管而言，足以实现高增益、低噪声的目标，并且本身的噪声系数可低至1～2分贝。

2.2.2行波管的工作原理

在行波管中进行能量交换的主要是射频信号，由经过调制的电子注和管内的微波信号场共同完成。在这个能量交换的过程中，主要工作原理是由电子注将自身动能移交给微波信号场，最终达到信号放大目的。而这种能量交换的条件相对来说较为苛刻---因为整个过程对调制速度要求很高，所以只有在微波与管内受调制电子注二者传播速度相互接近时，能量交换方可实现。我们又知道，在自由空间微波的传播速度接近于光，这就给实验中的速度调制带来不便，因此如何采取有效措施减缓微波传播速度，使其尽可能与电子注传播速度相接近就成为关键。目前较为普遍的方法是在慢波结构中安装一个微波沿一慢波装置传输，那么经过这样的设置后，二者速度便能达到实验需求。

第一步，速度调制过程。首先，在调制电子注与微波信号场发生相互作用开始之前，电子注从电子枪中发射过来，先利用电磁场对其速度进行调制。处于不同相位的电子在电磁场中所受的电场力与磁场力是不尽相同的，其中的变化就体现在电子速度上。值得注意的是，此时的调制电子注在通过电磁场时会吸走部分场能，自身却并不与场进行能量交换，这样的后果就是部分电磁场的能量发生损失，管内电磁波进一步减弱。

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