帶狀束矩形螺旋線行波管的研究.pdf

1、行波管(TWT)是一類(lèi)經(jīng)典的微波電真空器件，它常常使用在毫米波雷達(dá)、精確制導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略通信、電子對(duì)抗、輻射測(cè)量、遙感等領(lǐng)域中，其性能的優(yōu)劣直接決定了武器裝備的水平。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)電子戰(zhàn)和空間技術(shù)迫切需求大量具有寬頻帶，高增益，重量輕，體積小等優(yōu)點(diǎn)的的緊湊型行波管。因此人們對(duì)尋找具有優(yōu)越性能的新穎緊湊的慢波電路表現(xiàn)出濃厚的興趣。同時(shí)為了降低系統(tǒng)的造價(jià)和提高效率，相控陣?yán)走_(dá)、微波中繼系統(tǒng)、小型機(jī)載干擾設(shè)備、同軸電纜電視等微

2、波系統(tǒng)中也迫切需求大量具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)單、工作電壓低、價(jià)廉、體積小以及重量輕等優(yōu)點(diǎn)的緊湊型TWT。而傳統(tǒng)的TWT由于造價(jià)昂貴、體積笨重、熱耗散能力低而難以滿(mǎn)足這些要求。帶狀電子注和帶狀注器件是一個(gè)正在被開(kāi)拓的熱點(diǎn)領(lǐng)域，帶狀束具有較小的橫向尺寸，因而是毫米波器件中所需要的理想的電子源，同時(shí)還具有較低的空間電荷效應(yīng)、大電流、高功率，高效率等優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來(lái)越多的真空電子學(xué)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。因此，探索基于微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS(Mic

3、ro-ElectromagneticMechanicSystem)技術(shù)制作的，可與帶狀電子束互作用的新型行波管互作用電路來(lái)滿(mǎn)足軍事和民用電子裝備的需要，已經(jīng)成為未來(lái)TWT發(fā)展的主要方向之一。因此對(duì)新型緊湊型行波管的研究具有非常重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文就是基于此思路，基于傳統(tǒng)的圓橫截面螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)，探索了一類(lèi)新型螺旋線慢波電路：矩形橫截面螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，從理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面對(duì)這類(lèi)新型的矩形螺旋線慢波結(jié)構(gòu)

4、進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1．提出了橫截面為矩形的自由螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的理論。結(jié)合積分邊界條件，用變形的場(chǎng)匹配法，在Sheath模型下推導(dǎo)出其色散方程和平均耦合阻抗表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，分析了結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)色散和耦合阻抗的影響，得出橫截面的寬度對(duì)色散和耦合阻抗都有較大的影響，同時(shí)還與三維電磁仿真軟件HFSS的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，理論結(jié)果和軟件仿真結(jié)果吻合得很好，驗(yàn)證了所提出的理論分析方法是正確的。 2．通

5、過(guò)和前人的無(wú)限寬近似理論的比較，得出無(wú)限寬理論存在著局限性，只能用于研究很寬的平面螺旋線結(jié)構(gòu)。通過(guò)和傳統(tǒng)的圓橫截面螺旋線慢波結(jié)構(gòu)比較后發(fā)現(xiàn)：和矩形螺旋線的橫截面周長(zhǎng)相同、螺距相同的圓螺旋線的色散和矩形結(jié)構(gòu)的色散特性是接近的，而且矩形螺旋線比具有接近色散特性的圓螺旋線的耦合阻抗更高，尺寸更小，更適合用于緊湊行波管中作為慢波結(jié)構(gòu)。 3．研究了均勻加載介質(zhì)，且結(jié)合金屬屏蔽筒的矩形螺旋線慢波系統(tǒng)。建立了其物理分析模型，并獲得了色散方程和

6、耦合阻抗表達(dá)式。與電磁仿真軟件HFSS的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，理論和仿真的一致性證明了理論方法在分析實(shí)際結(jié)構(gòu)中的有效性。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了介質(zhì)參數(shù)對(duì)介質(zhì)加載矩形螺旋線慢波線高頻特性的影響，以及比較相同的結(jié)構(gòu)尺寸下的真空中自由矩形螺旋線和加載介質(zhì)的矩形螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的色散特性。 4．引入矩形實(shí)心的帶狀電子注，通過(guò)場(chǎng)分析方法，建立了帶狀束矩形螺旋線行波管的注波互作用的小信號(hào)理論，推導(dǎo)出這一結(jié)構(gòu)奇模的“熱”色散方程。數(shù)值計(jì)算了結(jié)構(gòu)參數(shù)和電

7、子注參數(shù)對(duì)帶寬和小信號(hào)增益的影響，同時(shí)比較了矩形和色散特性接近的圓螺旋線的注波互作用的小信號(hào)增益。 5．建立了帶狀電子注的一維空間電荷模型。借助等效電路模型，推導(dǎo)出矩形螺旋線行波管非線性工作方程組，然后對(duì)矩形螺旋線行波管互作用過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，分析了歸一化高頻電壓、電子相位沿縱向的變化情況，解釋了管內(nèi)注波非線性互作用的現(xiàn)象，計(jì)算出矩形螺旋線行波管的整管增益、輸出功率和互作用效率等參數(shù)。 6．用實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)矩形螺旋線慢