等離子體填充S波段耦合腔行波管大信號(hào)分析.pdf

1、行波管是一種高增益、寬頻帶、高效率、大功率的微波功率放大器件，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等現(xiàn)代軍事電子裝備中。研究表明，在微波器件中填充背景等離子體后，其性能將得到顯著改善。在同樣的輸入條件下，帶寬、互作用效率、功率和增益都有顯著增加，并且可以降低或省去外部聚焦磁場(chǎng)。 本文對(duì)一只等離子體填充的S波段耦合腔行波管注-波互作用大信號(hào)特性進(jìn)行了分析討論。 一、討論了等離子體-腔混合模的形成以及“冷”帶寬和“熱”帶寬的展寬效

2、應(yīng)。在等離子體填充的耦合腔行波管中，當(dāng)填充的等離子體密度達(dá)到或超過(guò)一定值后，腔模和周期不均勻波導(dǎo)的等離子體模相互重疊而耦合出等離子體-腔混合模式。工作在等離子體-腔混合模式下的耦合腔行波管，工作特性大大優(yōu)于真空時(shí)的情況，且可以調(diào)整某一電子注參量，使其空間電荷波的曲線與某一混合模式的相切部分變大，而不僅僅是相交于一點(diǎn)，因而大大改善了其熱帶寬效應(yīng)；同時(shí)工作于混合模式時(shí)，其耦合阻抗比真空時(shí)提高了3～5倍，因此在填充等離子體后，耦合腔鏈的慢波特

3、性得到了顯著的改善。 二、用模式展開的方法分析了等離子體-腔混合模耦合腔行波管的非線性注-波互作用過(guò)程，導(dǎo)出了其考慮相對(duì)論效應(yīng)的非線性注-波互作用的自洽工作方程組。包括：激發(fā)方程、運(yùn)動(dòng)方程、電子流復(fù)振幅方程。此方程組即為研究注波互作用非線性特性的基本方程組。 三、用分離變量法推導(dǎo)了真空和磁化等離子體填充盤荷波導(dǎo)的空間電荷場(chǎng)的靜電位方程，并借鑒田炳耕的荷電圓盤模型，用格林函數(shù)法求解出空間電荷場(chǎng)。由于等離子體各向異性的性質(zhì)，

4、它滿足普遍的靜電位方程，文中給出了此普遍靜電位方程的詳細(xì)解法。研究發(fā)現(xiàn)電子通道填充背景等離子體后，其空間電荷場(chǎng)與真空中有本質(zhì)差別，真空中的空間電荷場(chǎng)呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，而填充背景等離子體的空間電荷場(chǎng)具有相反的結(jié)果。 四、四采用四階Runge-Kutta算法，用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了其大信號(hào)特性的仿真。在填充等離子體后效率達(dá)到35％以上，比真空中耦合腔行波管的效率有很大的提高。同時(shí)比較分析了真空中和等離子體填充時(shí)空間電荷場(chǎng)對(duì)飽和位置、

5、效率、功率、增益的影響。發(fā)現(xiàn)等離子體填充時(shí)考慮了空間電荷場(chǎng)時(shí)效率增加而且飽和位置提前；而在真空中考慮空間電荷場(chǎng)比不考慮空間電荷場(chǎng)時(shí)的飽和位置推后，飽和值下降。兩個(gè)現(xiàn)象正好相反是一個(gè)本質(zhì)差別。最后分析了輸入功率和等離子體密度對(duì)注-波互作用大信號(hào)特性的影響。結(jié)果表明，輸入功率對(duì)輸出功率的影響不大而等離子體密度增加則效率增加，但到一定值后再繼續(xù)增加密度輸出效率反而降低。這是因?yàn)殡S著ωp增加，2階混合模式和3階混合模式重疊的頻率范圍逐漸加大，穩(wěn)