毫米波新型曲折波導(dǎo)行波管的研究.pdf

1、毫米波行波管，其工作頻段介于微波和紅外之間，具有絕對(duì)帶寬寬、波束窄、能全天候工作以及輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)、通信、遙感、電子對(duì)抗和等離子體診斷等方面顯示了巨大的應(yīng)用潛力。因此對(duì)新型大功率毫米波行波管的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文在研究Ka波段曲折波導(dǎo)行波管的基礎(chǔ)上，從理論、粒子模擬和實(shí)驗(yàn)等方面對(duì)毫米波段新型曲折波導(dǎo)行波管進(jìn)行了深入的研究。主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 一、設(shè)計(jì)了Ka波段曲折波導(dǎo)連續(xù)波行波管的慢波結(jié)構(gòu)、衰減器和

2、能量耦合結(jié)構(gòu),建立了具有集中衰減器的注-波互作用三維模型,分析了電子注動(dòng)能和高頻場(chǎng)能量的變化情況,得到了各頻點(diǎn)處的輸出功率。在此基礎(chǔ)上,裝配了曲折波導(dǎo)行波管,并進(jìn)行流通率調(diào)試和熱測(cè)實(shí)驗(yàn),在測(cè)試中獲得飽和功率峰值95W。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出功率和增益與粒子模擬結(jié)果比較吻合,研究表明:作為一種全金屬慢波結(jié)構(gòu),曲折波導(dǎo)慢波系統(tǒng)可以在較寬的頻帶內(nèi)保證電子注與電磁波的同步條件,它具有大的功率容量,是發(fā)展寬帶大功率毫米波源的一個(gè)新的途徑。上述工作為新型曲

3、折波導(dǎo)的研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 二、為了提高帶寬性能，研究了曲折雙脊波導(dǎo)行波管。提出了曲折雙脊波導(dǎo)慢波系統(tǒng)，建立了此種結(jié)構(gòu)的高頻特性理論以及注-波互作用線性理論，然后利用MAGIC3D軟件建立了有衰減器的曲折雙脊波導(dǎo)行波管三維物理模型，對(duì)非線性互作用過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)與常規(guī)曲折波導(dǎo)行波管的粒子模擬結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)采用曲折雙脊波導(dǎo)作為注一波互作用結(jié)構(gòu)，行波管的3dB增益帶寬提高了75％。說(shuō)明曲折雙脊波導(dǎo)行波管能在更寬

4、的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)毫米波功率的放大。這項(xiàng)工作對(duì)寬帶大功率行波管的研究具有參考價(jià)值。
　　 三、研究了Ka波段脊加載曲折波導(dǎo)行波管，提出了在直波導(dǎo)段加脊的變態(tài)曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。從理論上分析了脊加載曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高頻特性和線性增益特性，通過(guò)粒子模擬研究了此類行波管的注一波非線性互作用過(guò)程，并加工裝配了一支實(shí)驗(yàn)管，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)調(diào)試。主要結(jié)果表明：隨著脊尺寸的增加，脊加載曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合阻抗提高了，從而小信號(hào)增益峰值增大，但波的色散增強(qiáng)，增益帶

5、寬變小；設(shè)計(jì)脊尺寸時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮該尺寸對(duì)高頻特性和增益的影響。在33-37GHz頻率范圍內(nèi)，脊加載曲折波導(dǎo)行波管的飽和輸出功率均大于100W;特別是在34.5GHz處，飽和輸出功率達(dá)到最大值154W，比常規(guī)曲折波導(dǎo)行波管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提高了59W。
　　 四、為了進(jìn)一步提高曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，改善此類行波管的增益性能，提出了兩種槽加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)：?jiǎn)尾奂虞d結(jié)構(gòu)和雙槽加載結(jié)構(gòu)。在理論上，獲得了它們的色散方程和耦合阻抗表達(dá)

6、式，并建立了此類結(jié)構(gòu)的注一波互作用線性理論，通過(guò)數(shù)值分析，研究了槽尺寸對(duì)高頻特性和小信號(hào)增益特性的影響；采用粒子模擬的方法，研究了槽加載結(jié)構(gòu)對(duì)大信號(hào)互作用強(qiáng)度的影響。主要結(jié)論為：槽加載提高了耦合阻抗和小信號(hào)增益峰值，同時(shí)增強(qiáng)了色散，減小了帶寬。相比于常規(guī)結(jié)構(gòu)，采用雙槽加載結(jié)構(gòu)的曲折波導(dǎo)行波管可以在更短的互作用距離內(nèi)達(dá)到飽和，功率峰值和增益峰值分別提高了53.6％和21.4％；行波管的增益帶寬卻減小了。在研制小型化大功率毫米波行波管方面，