曲折波導(dǎo)行波管的理論與實驗研究.pdf

1、行波管作為微波頻段應(yīng)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(yīng)用前景。慢波結(jié)構(gòu)是行波管的核心部件，它的性能優(yōu)劣與行波管的技術(shù)指標(biāo)息息相關(guān)，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(shè)計行波管的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，電子注的調(diào)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(jié)構(gòu)的探索和注-波互作用的計算在行波管放大器

2、的設(shè)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(dǎo)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(xì)加工技術(shù)來制造，克服了傳統(tǒng)慢波結(jié)構(gòu)加工難的問題。以上的這些特點使得以曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)為核心的微型曲折波導(dǎo)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(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
　　本論文以曲折波導(dǎo)慢波

3、結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從傳輸線理論出發(fā)，利用級聯(lián)轉(zhuǎn)移矩陣的方法，分析了曲折波導(dǎo)及其一系列變形結(jié)構(gòu)的高頻特性。等效電路理論的計算結(jié)果和常用的高頻分析軟件 HFSS所得的模擬結(jié)果吻合。利用一維注-波互作用模型編寫了曲折波導(dǎo)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(shè)計，同時與實驗結(jié)果進行了比較，證明此程序軟件可以指導(dǎo)設(shè)計。為進一步提高計算精度，在一維互作用模型的基礎(chǔ)上，采用等效模型的方法，將三維曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)化為二維軸對稱

4、的盤荷波導(dǎo)模型，進行基礎(chǔ)理論推導(dǎo)。論文主要的工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.完善了曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的等效電路理論。曲折波導(dǎo)具有非常復(fù)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(zhuǎn)移矩陣的方法建立了曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的電路理論，模擬結(jié)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(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的等效電路模型，包括E面脊加載曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和 H面脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。

5、對單脊加載曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等效電路做了數(shù)值計算，所得結(jié)果與常用的高頻分析軟件HFSS的模擬結(jié)果相吻合。
　　3.提出了一種新的慢波結(jié)構(gòu)：雙脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)果與HFSS的模擬結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上，設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)—漸變H面脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，并利用這個慢波結(jié)構(gòu)完成了W波段行波管注波互作用電路的設(shè)計。粒子模擬結(jié)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(chǔ)。
　　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(jié)構(gòu)—漸變雙脊加載曲折波導(dǎo)，并利用該結(jié)構(gòu)與帶狀電子注為基礎(chǔ)，完成了140GH

7、z頻段行波管注波互作用電路的設(shè)計。粒子模擬結(jié)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(chǔ)。
　　6.采用 MATLAB語言，編寫了曲折波導(dǎo)類慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性分析程序，并結(jié)合曲折波導(dǎo)類行波管的一維非線性互作用理論，建立了曲折波導(dǎo)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(dǎo)實驗管進行了初步計算和測試，實驗測試結(jié)果與FWTWT SUITE