耦合腔行波管注波互作用非線性理論與CAD技術(shù)研究.pdf

1、耦合腔行波管以其輸出功率大、增益高、散熱效果好等特性，而廣泛應(yīng)用于電子對(duì)抗、雷達(dá)和通信等領(lǐng)域。依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法很難綜合性地進(jìn)一步提高耦合腔行波管的功率、帶寬、增益、效率以及非線性特性等性能，因此，高精度的耦合腔行波管CAD(Computer Aided Design)軟件就成為改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高性能的主要手段。研究耦合腔行波管注波互作用過(guò)程是發(fā)展CAD軟件的基礎(chǔ)。因此，深入研究耦合腔行波管注波互作用過(guò)程的基礎(chǔ)理論，對(duì)快速實(shí)現(xiàn)耦合腔行波

2、管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升管子的輸出功率，拓展管子的工作帶寬以及改善穩(wěn)定性等一系列性能都具有重要的意義。
　　本論文的研究工作主要圍繞耦合腔行波管注波互作用基礎(chǔ)理論和CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)而展開(kāi)，主要的工作內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：
　　1.針對(duì)耦合腔行波管高頻慢波結(jié)構(gòu)的特性，介紹Curnow和MKK兩種常用的等效電路模型。這兩個(gè)電路都能對(duì)耦合腔行波管慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的等效。文中詳細(xì)推導(dǎo)了這兩個(gè)等效電路模型的色散公式、總阻抗公式和特

3、性阻抗公式。根據(jù)色散公式以及等效電路特點(diǎn)，針對(duì)每個(gè)等效電路模型，提出兩種計(jì)算等效結(jié)構(gòu)參量的方法。使用三個(gè)不同頻段的耦合腔高頻結(jié)構(gòu)，從色散和總阻抗方面，對(duì)提出的兩個(gè)電路的兩種等效電路參量的計(jì)算方法進(jìn)行了比較。
　　2.數(shù)值研究了耦合腔高頻慢波結(jié)構(gòu)的色散和阻抗特性。從耦合腔結(jié)構(gòu)冷腔場(chǎng)的解析計(jì)算公式出發(fā)，結(jié)合有限元仿真軟件HFSS，研究了耦合腔慢波結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)的分布情況，包括軸向場(chǎng)和徑向場(chǎng)。研究了耦合腔高頻結(jié)構(gòu)中的總阻抗以及總阻抗與耦合阻

4、抗之間的關(guān)系。從而為耦合腔行波管注-波互作用過(guò)程的模擬提供理論依據(jù)。
　　3.分別推導(dǎo)了Curnow和MKK兩個(gè)等效電路模型的計(jì)算矩陣，包括考慮反向波的級(jí)聯(lián)計(jì)算矩陣和只考慮前向波的單腔計(jì)算矩陣。這些矩陣都可用于互作用過(guò)程的模擬計(jì)算。與級(jí)聯(lián)計(jì)算矩陣相比，單腔計(jì)算矩陣中包含的元素少，因此，它的計(jì)算速度會(huì)更快。在等效電路中用損耗電阻來(lái)表示衰減，而耦合腔中的衰減通常都是以dB形式給出的。在級(jí)聯(lián)計(jì)算矩陣中，采用牛頓迭代方法，建立了衰減量與等

5、效電路中的損耗電阻的聯(lián)系，避免了使用復(fù)雜的解析公式計(jì)算等效損耗電阻的不準(zhǔn)確問(wèn)題。在單腔計(jì)算矩陣中，由于只考慮前向波的傳播情況，因此，可以通過(guò)直接對(duì)等效電路模型的端口電壓進(jìn)行衰減以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，從而有效避開(kāi)了衰減量與等效電路中損耗電阻之間的轉(zhuǎn)換計(jì)算問(wèn)題。
　　4.推導(dǎo)了一維和三維的運(yùn)動(dòng)方程、相位方程、場(chǎng)方程和源電流的計(jì)算方程。建立了一維和三維的耦合腔行波管注波互作用理論。以美國(guó)休斯公司的衛(wèi)星通信用行波管961HA管子為例，用建

6、立的一維和三維的耦合腔行波管互作用理論進(jìn)行模擬計(jì)算。并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。由于本理論也可慮考慮反向波情況，因此，本論文所建立的耦合腔注波互作用理論，可以對(duì)驅(qū)動(dòng)振蕩進(jìn)行模擬計(jì)算。以961HA管子的結(jié)構(gòu)參數(shù)為例，對(duì)驅(qū)動(dòng)振蕩進(jìn)行了模擬研究。并探討使用衰減來(lái)抑制驅(qū)動(dòng)振蕩，以提高耦合腔行波管的最大輸出功率。
　　5.結(jié)合 Curnow等效電路模型，研究了休斯型耦合腔行波管高頻結(jié)構(gòu)，提出一種優(yōu)化這種高頻結(jié)構(gòu)