同轴加载圆波导慢波系统的研究

摘要

现代军事技术的需求为高功率微波的发展提供了良好的环境，高功率微波源作为高功率微波的重要研究领域也迅速发展起来。而高功率微波源的核心部件是电子注与波进行互作用的场所，对行波管而言即为慢波系统，它的优劣直接影响高功率微波源的性能。全金属慢波结构因其尺寸大、热耗散能力强、整体性能好等优点被广泛应用于宽带、大功率行波管和相对论行波管中，而膜片周期加载慢波系统正是全金属结构中最重要、应用最广泛的一大类结构。本文在传统膜片加载慢波系统的基础上，提出了一类新型的同轴膜片周期加载慢波结构，从理论分析、数值模拟及实验验证几个方面对其进行了全面深入的研究。本论文主要的工作成果为： 一、首次提出一类同轴阶梯形膜片加载慢波系统，利用严格的场匹配法，推导出色散方程和耦合阻抗的表达式。色散方程表达式可以作为一种通用形式用来研究同轴或非同轴的脊加载和普通膜片加载结构。通过数值计算，不仅比较了不同形式加载结构的色散特性差别，还详细研究了结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响。和同轴脊加载以及普通膜片加载结构相比，同轴阶梯形加载结构的带宽最宽。 二、利用具有环形电子注的平衡态模型，通过场匹配法，建立了同轴阶梯形膜片加载慢波系统的注波互作用自洽场理论，得到了此结构在小信号条件下的热色散方程。数值分析了结构参数和电子注参数对增益和色散的影响，该结构的3dB带宽可达30％，从而为相对论行波管发现了一种新型的宽带大功率慢波结构。 三、提出了分析任意槽形膜片加载慢波结构的一种普遍分析方法，它用一系列矩形阶梯来近似槽区的边界。这一方法适合于分析任何膜片边界或膜片间的槽边界光滑或有较大突变的结构，因此也可用来分析同轴阶梯形膜片加载波导。利用此法获得了同轴任意槽形膜片加载结构的普遍色散方程和耦合阻抗表达式。通过数值运算得到了系统结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响，并比较了五种特殊形状槽形膜片加载结构的高频特性，相同尺寸下三角形槽的带宽最宽，但耦合阻抗最低。 四、分析了同轴任意槽形膜片加载圆波导的注波互作用的线性理论，得到了小信号条件下的色散方程。比较了五种特殊结构的小信号增益，并讨论了结构参数及电子注参数对注波互作用的影响。 五、发展了任意槽形膜片加载慢波结构的分析方法，讨论了工作在快波区的TE模式的色散方程，使其应用于宽带回旋行波管。分析了调整结构参数对回旋行波管带宽的影响，并比较了五种特殊结构的带宽及群速。在相同槽深和槽口宽度情况下，三角形槽的最高群速最低。 六、用谐振法测量了四种不同槽形的同轴膜片加载慢波系统的色散特性，实验结果与理论分析吻合良好。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1微波真空电子器件概述

1.2高功率微波源研究动态

1.2.1高功率微波源概述

1.2.2相对论行波管研究概述

1.3高功率微波源中慢波系统研究现状

1.3.1波纹波导慢波线

1.3.2螺旋槽慢波线

1.3.3π型慢波线

1.3.4曲折波导慢波线

1.3.5膜片加载波导慢波线

1.4本论文的主要工作与创新

1.5整个学位论文的组织

第二章同轴阶梯形膜片加载圆波导高频特性

2.1引言

2.2物理模型

2.3同轴阶梯形膜片加载圆波导慢波系统的色散方程

2.3.1各区的场表达式

2.3.2边界匹配条件及色散方程

2.3.3色散方程的验证

2.4耦合阻抗

2.5数值模拟及分析

2.6小结

第三章同轴阶梯形膜片加载圆波导行波管注波互作用的线性理论

3.1引言

3.2电子注物理模型和阶跃条件

3.3“热”色散方程

3.3.1各区场表达式

3.3.2匹配条件和“热”色散方程

3.4数值模拟及分析

3.4.1电子注参数对互作用的影响

3.4.2慢波结构参数对互作用的影响

3.5小结

第四章同轴任意槽形膜片加载慢波系统的高频特性

4.1引言

4.2色散方程的推导

4.2.1对任意形状槽内场的分析

4.2.2中心互作用区场分布及边界条件

4.3耦合阻抗

4.4色散特性计算及讨论

4.5小结

第五章同轴任意槽形膜片加载慢波系统注波互作用的小信号特性

5.1引言

5.2注波互作用的“热”色散方程

5.2.1各区场的表达式

5.2.2边界匹配条件和“热”色散方程

5.3数值模拟及分析

5.3.1不同槽形结构的小信号增益

5.3.2慢波结构参数对互作用的影响

5.3.3电子注参数对互作用的影响

5.4小结

第六章应用于回旋行波管的同轴任意槽形膜片加载圆波导理论

6.1引言

6.2物理模型

6.2.1各区场的表达式

6.2.2Ⅱ区导纳的递推关系

6.2.3边界条件及色散方程的导出

6.3色散特性的数值分析

6.4小结

第七章同轴任意槽形膜片加载圆波导慢波系统实验研究

7.1引言

7.2实验原理及测试系统

7.2.1实验原理

7.2.1实验装置及测量方法

7.3测试结果及分析

7.4小结

第八章结论

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的主要论文及获奖成果