W波段高阶模回旋行波管高频系统研究

摘要

回旋行波管作为电真空器件家族中重要一员，具有高功率宽频带的特点，在毫米波雷达、毫米波通讯、电子战等方面具有广泛的应用前景。然而回旋行波管工作在W或更高频段时，若工作模式仍然采用TE11或TE01等低阶模式，高频尺寸会变小。这样带来的问题是管子功率容量受限，易发生电子截获，加工困难等。采用高阶模式作为回旋行波管的工作模式可以有效的解决这一问题。因而研究高阶模回旋行波管具有重要的意义。围绕高阶模回旋行波管的研究，本论文主要做了以下两个方面的研究工作：一是对以 TE12模式作为工作模式的回旋行波管的高频互作用结构以及输入输出系统进行了研究；二是围绕回旋行波管中常用到的低/高阶模式激励器进行了研究。主要研究内容及结果如下：
　　第二章对以 TE12模式作为工作模式的回旋行波管的高频结构进行了设计研究。首先基于小信号理论计算了工作模式TE12以及与TE12模式色散曲线几乎重合的TE41模式的起振电流。研究计算表明当磁场取为切点磁场的0.988倍时，TE12、TE41模式的起振电流达到10A以上，因而工作电流为10A时，可以保证这两个模式不发生绝对不稳定性。基于小信号理论同时也计算了与电子回旋模色散曲线交于 kz负半轴的可能发生返波振荡的模式的无损起振长度，以及各模式起振长度达到20cm时相应所需要的损耗值。然后基于小信号理论计算的结果仿真分析了材料对各模式的损耗情况，并确定了一个可以稳定工作的介质分布加载高频结构。最后分析了光滑段长度、电压、磁场等的改变对高频输出的影响。
　　第三章对TE12模式回旋行波管的输入输出系统进行了研究。设计了单Y分支Bragg反射器式输入耦合器，针对同一单Y分支结构设计了两种Bragg反射器，解决了传统截止波导在高频段尺寸过小的问题，加工测试了一个带矩形波纹波导Bragg反射器的输入耦合器。为了进一步提高输入耦合器的转换效率，提出了一种双扭Y分支输入耦合器结构，仿真结果显示相较于单Y分支结构TE12模式的转化从-1dB左右提高到了-0.5dB左右。输出窗的设计中间层为蓝宝石，厚度1mm，匹配石英的厚度为0.42mm，仿真及理论计算显示带宽满足设计要求，热分析结果显示窗片可以有效工作，最后加工测试了单层蓝宝石窗片。
　　第四章对回旋行波管中常用到的模式激励器进行了研究。首先提出了一种新型的可以激励 TE0n/TE2n/TE1n'模式的激励器，设计思路为矩形 TE10→矩形 TEn'0→圆波导TE0n/TE2n/TE1n'。该模式激励器可以激励起低阶/高阶模式，结构紧凑，加工简便，模式纯度高，工作带宽较宽。在我们提出的结构基础上设计加工测试了一个低阶的 TE01模式激励器、TE01/TE21模式激励器（同一种拓扑结构）、以及一个高阶的TE13模式激励器，并设计了一个高阶的TE12模式激励器以用于TE12模式高阶模回旋行波管中。最后还设计测试了一个高阶模 TE13模式输入耦合器，相较于TE12模式输入耦合器TE13模式输入耦合器的竞争模式更加难以抑制。针对这个难点提出了波导壁侧壁开槽的思想，破坏竞争模式的电场结构，抑制竞争模式的形成，并提高设计模式的转化效率。
　　研究采用高阶模的回旋行波管可以避免采用低阶模时在W频段或更高频段因尺寸过小带来的功率容量受限、加工困难等问题。低阶/高阶模式激励器的研究对于回旋行波管的冷测和热测实验具有重要意义。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 回旋行波管研究现状和发展态势

1.2 高阶模回旋行波管的研究背景及意义

1.3 本论文的主要研究工作及创新点

第二章 高阶模回旋行波管的高频注波互作用分析

2.1 回旋行波管的小信号理论分析

2.2 高阶模回旋行波管的小信号理论分析计算

2.3 介质分布加载结构的确定及其仿真计算

2.4 本章小结

第三章 高阶模回旋行波管输入输出系统设计

3.1 输入耦合器的设计及实验测试

3.2 输出窗的设计热分析及测试

3.3 本章小结

第四章 回旋行波管低阶/高阶模式激励器的设计

4.1 模式激励器的应用背景

4.2 TE0n/TE2n/TE1n'模式激励器的设计

4.3 开槽结构TE13模式输入耦合器的设计及测试

4.4 本章小结

第五章 总结及展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果