微帶型慢波結構的研究.pdf

1、毫米波功率模塊是基于微波功率模塊發(fā)展而來的毫米波功率放大器，它兼有小型化毫米波行波管和固態(tài)放大器的優(yōu)點。相比于傳統(tǒng)的固態(tài)放大器和行波放大器，毫米波功率模塊在尺寸、重量及效率等方面都具有較大的優(yōu)勢，因此，在軍事及民用等領域具有重要的價值。
　　目前，微波功率模塊用的行波管大多是螺旋線行波管，它的寬頻帶、工作電壓低，而且效率高。但是當工作頻段上升到 V波段甚至更高時，螺旋線行波管的慢波結構尺寸將變得非常小，以至于傳統(tǒng)的加工手段已不能滿

2、足其在精度上的要求。利用現(xiàn)代微細加工技術制造小尺寸螺旋線是解決這一問題的出路，然而現(xiàn)代微細加工技術主要適用于二維結構的加工。因此，作為一個三維慢波結構，螺旋線的加工過程是非常繁瑣和困難的，而且其加工的一致性與可靠性也得不到保證。在這種情況下，尋求一種既能夠適用于二維微細加工技術又具備螺旋線慢波結構優(yōu)點的新型平面慢波結構具有非常重要的現(xiàn)實和科學意義。
　　微帶曲折線慢波結構是一種二維平面慢波結構，該類慢波結構具有工作電壓低、頻帶寬、

3、效率高和易于加工等優(yōu)點。同時由于微帶曲折線慢波結構可以與固態(tài)電路進行良好的匹配，因此可以將微帶曲折線行波管用于毫米波功率模塊的末級功率推動器。深入開展微帶型慢波結構的研究工作對毫米波功率模塊向短毫米波、太赫茲方向的發(fā)展具有重要的推動作用。本文從模擬計算和實驗兩方面對微帶型慢波結構進行了深入的研究，主要的工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.提出了U形微帶曲折線慢波結構。設計了Ka波段U形微帶曲折線行波管的慢波結構、衰減器和能量耦合結構，建立

4、了具有集中衰減器的注-波互作用三維模型，分析了注-波互作用過程中電子注和高頻場的能量變化情況，得到了各頻點處的輸出功率。研究結果表明：U形微帶曲折線行波管的瞬時3-dB帶寬為9GHz，即可以在29GHz到38GHz的頻帶范圍內產(chǎn)生大于100瓦的峰值輸出功率。同時，該行波管在34GHz頻率點的峰值輸出功率可達200瓦，與之相對應的增益和平均電子效率分別為33dB和14.4％。
　　2.為了拓展微帶曲折線慢波結構的工作帶寬，本文提出了

5、V形微帶曲折線慢波結構。通過對相同尺寸的兩種微帶曲折線慢波結構的高頻特性進行對比發(fā)現(xiàn)：V形微帶曲折線慢波結構的色散特性要明顯優(yōu)于U形結構，V形結構的“冷”工作帶寬比U形結構寬30%。建立了有衰減器的V形微帶曲折線行波管三維物理模型，對 V形微帶曲折線行波管的非線性互作用過程進行了模擬分析。研究結果表明：在W波段，V形微帶曲折線行波管的瞬時3-dB帶寬可達20GHz，在97GHz頻率點該行波管的峰值輸出功率可達90瓦。
　　3.提出

6、了上下對稱的雙V形微帶曲折線慢波結構。在相同的結構尺寸和互作用電氣參數(shù)下，本文對兩種 V形微帶曲折線行波管的性能進行了比較。粒子模擬結果顯示：雙V形微帶曲折線行波管的瞬時3-dB帶寬為18GHz的帶寬，峰值輸出功率達到了110瓦；而單V形微帶曲折線行波管則有15GHz的瞬時3-dB帶寬，峰值輸出功率為25瓦。很明顯，雙 V形微帶曲折線的行波管的性能要優(yōu)于單 V形微帶曲折線行波管。
　　4.對W波段V形微帶曲折線行波管進行了熱分析。

7、行波管的熱分析，為提高行波管的穩(wěn)定性和可靠性提供了有效的途徑，同時對完善行波管的設計，尤其是毫米波新型慢波結構行波管的設計也具有重要的意義。本文利用ANSYS軟件對V形微帶曲折線行波管慢波結構的散熱性能進行了計算和分析，得到了 V形微帶曲折線行波管慢波結構中各部件的溫度分布云圖及熱流密度矢量圖。
　　5.微帶曲折線慢波結構傳輸特性的測量。詳細介紹了微帶曲折線慢波結構及其輸入輸出結構的設計、加工和實驗測量。實驗結果顯示：在32GHz