毫米波新型曲折波导行波管的研究

摘要

毫米波行波管，其工作频段介于微波和红外之间，具有绝对带宽宽、波束窄、能全天候工作以及输出功率大等优点，在雷达、通信、遥感、电子对抗和等离子体诊断等方面显示了巨大的应用潜力。因此对新型大功率毫米波行波管的研究具有重要的现实意义。本论文在研究Ka波段曲折波导行波管的基础上，从理论、粒子模拟和实验等方面对毫米波段新型曲折波导行波管进行了深入的研究。主要工作和创新点如下：
　　 一、设计了Ka波段曲折波导连续波行波管的慢波结构、衰减器和能量耦合结构,建立了具有集中衰减器的注-波互作用三维模型,分析了电子注动能和高频场能量的变化情况,得到了各频点处的输出功率。在此基础上,装配了曲折波导行波管,并进行流通率调试和热测实验,在测试中获得饱和功率峰值95W。实验测得的输出功率和增益与粒子模拟结果比较吻合,研究表明:作为一种全金属慢波结构,曲折波导慢波系统可以在较宽的频带内保证电子注与电磁波的同步条件,它具有大的功率容量,是发展宽带大功率毫米波源的一个新的途径。上述工作为新型曲折波导的研究奠定了理论和实验基础。
　　 二、为了提高带宽性能，研究了曲折双脊波导行波管。提出了曲折双脊波导慢波系统，建立了此种结构的高频特性理论以及注-波互作用线性理论，然后利用MAGIC3D软件建立了有衰减器的曲折双脊波导行波管三维物理模型，对非线性互作用过程进行了模拟分析。通过与常规曲折波导行波管的粒子模拟结果比较，发现采用曲折双脊波导作为注一波互作用结构，行波管的3dB增益带宽提高了75％。说明曲折双脊波导行波管能在更宽的频带内实现毫米波功率的放大。这项工作对宽带大功率行波管的研究具有参考价值。
　　 三、研究了Ka波段脊加载曲折波导行波管，提出了在直波导段加脊的变态曲折波导结构。从理论上分析了脊加载曲折波导结构的高频特性和线性增益特性，通过粒子模拟研究了此类行波管的注一波非线性互作用过程，并加工装配了一支实验管，进行相关实验调试。主要结果表明：随着脊尺寸的增加，脊加载曲折波导结构的耦合阻抗提高了，从而小信号增益峰值增大，但波的色散增强，增益带宽变小；设计脊尺寸时，应当综合考虑该尺寸对高频特性和增益的影响。在33-37GHz频率范围内，脊加载曲折波导行波管的饱和输出功率均大于100W;特别是在34.5GHz处，饱和输出功率达到最大值154W，比常规曲折波导行波管的实验结果提高了59W。
　　 四、为了进一步提高曲折波导慢波结构的耦合阻抗，改善此类行波管的增益性能，提出了两种槽加载曲折波导慢波结构：单槽加载结构和双槽加载结构。在理论上，获得了它们的色散方程和耦合阻抗表达式，并建立了此类结构的注一波互作用线性理论，通过数值分析，研究了槽尺寸对高频特性和小信号增益特性的影响；采用粒子模拟的方法，研究了槽加载结构对大信号互作用强度的影响。主要结论为：槽加载提高了耦合阻抗和小信号增益峰值，同时增强了色散，减小了带宽。相比于常规结构，采用双槽加载结构的曲折波导行波管可以在更短的互作用距离内达到饱和，功率峰值和增益峰值分别提高了53.6％和21.4％；行波管的增益带宽却减小了。在研制小型化大功率毫米波行波管方面，此类行波管具有很好的发展潜力。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 毫米波的特点及应用

1.3 毫米波电真空辐射源的研究进展

1.4 曲折波导行波管研究的现状

1.5 本论文的主要工作和创新

第二章 Ka波段曲折波导连续波行波管的研究

2.1 引言

2.2 曲折波导慢波结构设计

2.2.1 曲折波导慢波结构高频特性的理论分析

2.2.2 曲折波导慢波结构高频特性的模拟分析

2.2.3 各尺寸对高频特性的影响

2.3 曲折波导行波管注-波互作用的非线性模拟

2.3.1 粒子模拟(PIC)方法

2.3.2 注一波互作用的模型和参数设置

2.3.3 模拟结果与讨论

2.4 曲折波导行波管输入输出结构的设计

2.5 Ka波段曲折波导连续波行波管的实验测试

2.5.1 各部件加工及组装

2.5.2 实验原理及装置

2.5.3 实验结果与分析

2.6 小结

第三章 曲折双脊波导行波管的研究

3.1 引言

3.2 曲折双脊波导慢波系统的电磁波传播理论

3.2.1 物理模型

3.2.2 色散特性

3.2.3 耦合阻抗

3.2.4 数值计算和分析

3.3 曲折双脊波导行波管注-波互作用的线性理论

3.3.1 基本假设和基本方程式

3.3.2 小信号增益及数值计算分析

3.4 曲折双脊波导行波管注-波互作用的大信号模拟研究

3.4.1 注-波互作用的模型

3.4.2 衰减器模型的设计

3.4.2 非线性互作用的模拟结果分析与讨论

3.5 曲折双脊波导行波管输入输出结构的设计

3.6 小结

第四章 脊加载曲折波导行波管的研究

4.1 引言

4.2 脊加载曲折波导慢波结构的电磁波传播理论

4.2.1 物理模型

4.2.2 色散方程

4.2.3 耦合阻抗

4.2.4 数值计算分析

4.3 脊加载曲折波导行波管注-波互作用的线性理论

4.3.1 “热”色散方程

4.3.2 小信号增益及数值计算分析

4.4 脊加载曲折波导行波管注-波互作用的非线性模拟

4.4.1 注-波互作用模型

4.4.2 注-波互作用模拟结果分析

4.5 Ka波段脊加载曲折波导行波管的实验测试

4.5.1 慢波系统中衰减的测量

4.5.2 脊加载曲折波导行波管的组装

4.5.3 脊加载曲折波导行波管的测试

4.6 小结

第五章 槽加载曲折波导行波管的研究

5.1 引言

5.2 单槽加载曲折波导慢波结构的电磁波传播理论

5.2.1 物理模型

5.2.2 色散方程

5.2.3 耦合阻抗

5.2.4 数值计算与讨论

5.3 单槽加载曲折波导行波管注-波互作用的线性理论

5.3.1 “热色散方程的推导

5.3.2 数值计算和讨论

5.4 双槽加载曲折波导行波管的研究

5.4.1 双槽加载曲折波导慢波结构的高频特性研究

5.4.2 双槽加载曲折波导行波管的线性理论

5.4.3 双槽加载曲折波导行波管注-波互作用的非线性模拟

5.5 小结

第六章 总结

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果