同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)及其應(yīng)用研究.pdf

1、具有高功率、寬頻帶和高效率的毫米波輻射源在高速通信、雷達(dá)以及電子對抗等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。行波管作為一類重要的毫米波器件由于其具有高功率容量，寬頻帶等特點(diǎn)在毫米波輻射源中有著重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的螺旋線行波管雖然有著寬的帶寬，但因其慢波結(jié)構(gòu)具有相對較低的功率容量而限制了它的發(fā)展。不僅如此，隨著頻率的升高，螺旋線的加工也變得困難。最近幾十年全金屬慢波結(jié)構(gòu)得到了廣泛的發(fā)展，越來越多的學(xué)者對其展開了研究，這主要是因?yàn)槿饘俾ńY(jié)構(gòu)具有尺寸大、熱耗

2、散能力強(qiáng)、整體性能好等優(yōu)點(diǎn)，其中圓盤加載波導(dǎo)就是一種重要的全金屬慢波結(jié)構(gòu)。本文在圓盤加載波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，對同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)及其改進(jìn)形式進(jìn)行了研究，研究表明這類慢波結(jié)構(gòu)在毫米波多注行波管中有著較好的發(fā)展前景。
　　本論文主要是從高頻特性、電磁波傳輸特性、注波互作用特性三個方面對同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)進(jìn)行了深入的研究，并指出了可以將其應(yīng)用于毫米波多電子注行波管的設(shè)計(jì)。論文的主要工作成果為：
　　一、在考慮加載圓盤厚度的情況下，首

3、次采用多導(dǎo)體傳輸線分析方法對同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)出了其色散方程。通過數(shù)值計(jì)算的方法對色散方程進(jìn)行了求解，其計(jì)算結(jié)果與通過計(jì)算機(jī)電磁仿真得的結(jié)果一致。通過計(jì)算結(jié)果可以看出，選擇合適的參數(shù)可以使慢波結(jié)構(gòu)得到較寬的帶寬。理論分析結(jié)果為后面的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)，并提供了有效的模型參數(shù)。
　　二、對同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)的高頻特性展開了研究，利用ANSOFT HFSS對同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)進(jìn)行了建模分析，研究表明：同軸交錯

4、圓盤加載波導(dǎo)的內(nèi)徑ra和單位周期長度L對慢波結(jié)構(gòu)高頻特性的影響要大于其它的結(jié)構(gòu)參數(shù)。減小內(nèi)徑ra可以顯著提高慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，減小單位周期長度L可以顯著降低慢波結(jié)構(gòu)相速。
　　三、為了提高同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)的高頻特性，提出了兩類脊加載結(jié)構(gòu)：圓盤邊緣脊加載結(jié)構(gòu)和圓盤中間脊加載結(jié)構(gòu)。圓盤邊緣脊加載結(jié)構(gòu)可以顯著降低慢波結(jié)構(gòu)的相速，用作行波管時可以降低工作電壓。從論文的研究可以看出在采用了邊緣脊加載結(jié)構(gòu)后，在耦合阻抗變化很小的情況下，

5、慢波結(jié)構(gòu)的歸一化相速從0.29降到了0.24，下降了17.2％。圓盤中間脊加載結(jié)構(gòu)在整個頻帶內(nèi)可以明顯提高同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)的耦合阻抗，用作行波管時可以提高注-波互作用的效率。同時，論文還對幾種周期圓盤加載波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高頻特性進(jìn)行了比較，研究表明，采用同軸交錯圓盤加載方式不僅可以減弱色散，而且對降低慢波結(jié)構(gòu)的相速也有積極的作用。
　　四、提出了具有400W峰值功率水平的 V波段八電子注同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)行波管的設(shè)計(jì)方案，并利用C

6、ST PIC-Solver軟件建立了同軸交錯圓盤加載波導(dǎo)的多電子注行波管三維注-波互作用物理模型，對其非線性互作用情況進(jìn)行了模擬分析。研究結(jié)果表明：在所設(shè)計(jì)的輸入輸出結(jié)構(gòu)下，慢波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)S11小于-25dB。在11.2kV電壓和120mA電流下，提出的設(shè)計(jì)在44.5GHz-46.5GHz的頻帶范圍內(nèi)具有30dB以上的增益，最大輸出功率達(dá)到462W，電子效率達(dá)到了4.3%，最大增益達(dá)到31.1dB。因此，在研制毫米波多電子注行波管方