曲折波導行波管的理論與實驗研究.pdf

1、行波管作為微波頻段應用最為廣泛的電真空器件，在毫米波雷達、通信、微波遙感、輻射測量、電子對抗等方面都具有非常廣闊的應用前景。慢波結構是行波管的核心部件，它的性能優(yōu)劣與行波管的技術指標息息相關，成為研究的熱點和難點。同時，對行波管中注-波互作用的研究也是設計行波管的關鍵環(huán)節(jié)之一，電子注的調制以及與高頻場的能量交換是在此過程中實現(xiàn)的，并且互作用的強弱也直接決定著行波管放大器的各種性能。因此，對慢波結構的探索和注-波互作用的計算在行波管放大器

2、的設計中占有舉足輕重的地位。
　　傳統(tǒng)的螺旋線行波管和耦合腔行波管在功率容量和工作帶寬上存在矛盾。曲折波導行波管作為二者的折中，在實現(xiàn)大功率容量的同時，具有良好的帶寬性能，并且可以采用微細加工技術來制造，克服了傳統(tǒng)慢波結構加工難的問題。以上的這些特點使得以曲折波導慢波結構為核心的微型曲折波導行波管在毫米波、太赫茲波段成為很有潛力的一種大功率的小型輻射源，并且將在寬帶毫米波通信領域具有很好的應用前景。
　　本論文以曲折波導慢波

3、結構為基礎，從傳輸線理論出發(fā)，利用級聯(lián)轉移矩陣的方法，分析了曲折波導及其一系列變形結構的高頻特性。等效電路理論的計算結果和常用的高頻分析軟件 HFSS所得的模擬結果吻合。利用一維注-波互作用模型編寫了曲折波導的注-波互作用計算軟件，并利用此軟件對3毫米波段對脊加載曲折行波管進行了設計，同時與實驗結果進行了比較，證明此程序軟件可以指導設計。為進一步提高計算精度，在一維互作用模型的基礎上，采用等效模型的方法，將三維曲折波導結構化為二維軸對稱

4、的盤荷波導模型，進行基礎理論推導。論文主要的工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.完善了曲折波導慢波結構的等效電路理論。曲折波導具有非常復雜的邊界條件，用場論的方法難以求解其高頻特性。在充分考慮了彎曲部分和電子注通道存在的情況下，利用傳輸線轉移矩陣的方法建立了曲折波導慢波結構的電路理論，模擬結果和理論分析具有很好的一致性。
　　2.建立了單脊加載曲折波導慢波結構的等效電路模型，包括E面脊加載曲折波導結構和 H面脊加載曲折波導慢波結構。

5、對單脊加載曲折波導結構的等效電路做了數(shù)值計算，所得結果與常用的高頻分析軟件HFSS的模擬結果相吻合。
　　3.提出了一種新的慢波結構：雙脊加載曲折波導慢波結構。該結構具有功率容量大，耦合阻抗高等特點，并且與工作在相同頻段的其他曲折波導相比，具有更大的橫向尺寸。采用等效電路模型分析了它的高頻特性，理論計算結果與HFSS的模擬結果一致。在此基礎上，設計了工作在220GHz頻段的行波管，建立了注-波互作用的三維模型，分析了注-波互作用過

6、程中的能量交換情況，給出了頻率響應特性。
　　4.為了提高功率容量和互作用效率，研究了一種新的慢波結構—漸變H面脊加載曲折波導慢波結構，并利用這個慢波結構完成了W波段行波管注波互作用電路的設計。粒子模擬結果表明該行波管具有較大的輸出功率和較高的電子效率，為研制高效、高功率行波管奠定了基礎。
　　5.為了進一步改善增益性能和電子效率，提出了一種新的慢波結構—漸變雙脊加載曲折波導，并利用該結構與帶狀電子注為基礎，完成了140GH

7、z頻段行波管注波互作用電路的設計。粒子模擬結果表明該行波管管具有較大的輸出功率和較高的電子效率，為研制高效、高功率行波管奠定了基礎。
　　6.采用 MATLAB語言，編寫了曲折波導類慢波結構的高頻特性分析程序，并結合曲折波導類行波管的一維非線性互作用理論，建立了曲折波導類行波管的數(shù)值分析系統(tǒng)：FWTWT SUITE，利用該軟件對加工裝配的一只W波段E面單脊加載曲折波導實驗管進行了初步計算和測試，實驗測試結果與FWTWT SUITE