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空间行波管放大器作为通信卫星的末端放大器，它的设计要求是高可靠性、宽频带、高功率、高增益、高效率、高线性化、小型化和长寿命。空间行波管的线性度决定了卫星中通信信号的质量。通过分析双渐变螺旋线慢波结构的各个段对空间行波管的输出功率、增益、电子效率、相移和AM/PM值的影响，优化各个段的螺距和长度。本文设计了一种新型的多渐变螺旋线慢波结构，同时优化多渐变慢波结构的各个段，在保证输出功率要求的基础上，获得最小的非线性失真，提高了空间行波管的线性度。同时本论文应用功率余量来衡量空间行波管的输出特性，平衡空间行波管的效率和非线性失真。同时功率余量将空间行波管放大器和通信系统相结合，在保持通信系统误码率的基础上获得最佳的工作点。论文的主要研究工作如下: 1.调研了国内外空间行波管的发展现状及空间行波管的最新研究进展，初步了解了空间行波管线性度的最新研究成果，介绍了常用的提高空间行波管线性度的四种技术及各个技术的优缺点。 2.研究空间行波管慢波结构中电磁场和电子注的互作用理论，了解空间行波管慢波结构的工作原理，同时研究了空间行波管的非线性失真参量AM/AM转换和AM/PM转换的定义及计算方法。 3.分析了双渐变螺旋线慢波结构的各个段结构的螺距和长度变化对空间行波管的输出功率、增益、电子效率、相移和AM/PM值的影响。在此基础上，设计了多渐变螺旋线慢波结构。该结构不仅可以提高空间行波管的输出功率而且能减小空间行波管的非线性失真。同时对多渐变螺旋线慢波结构进行优化，得到最佳的优化结构，在保持原有的输出功率的基础上，相移由51.6°减小到20.8°，AM/PM由3.9deg/dB降低到1.9deg/dB。 4.研究了系统级参量功率余量，可以通过功率余量衡量空间行波管的效率和线性度。同时结合通信系统的16QAM调制方式，计算空间行波管的性能。功率余量可以保证通信系统的误码率的基础上，得到空间行波管的最佳工作点，在保证空间行波管的输出功率满足要求时，得到最小的非线性失真。