基于超材料的S波段扩展互作用速调管

摘要

大功率速调管是基于速度调制原理将电子的能量转换为微波能量的真空电子器件。从研制出第一个速调管到今天，速调管已经历了80年的发展历程。随着各种速调管理论的建立；电真空材料及工艺和相关技术方法不断进步；计算机仿真软件获得迅猛发展，速调管的效率、功率、带宽、增益、寿命等性能不断提高，在气象、通信、电台电视广播、导航雷达和电子对抗等领域获得了广泛的应用。扩展互作用速调管同时具备行波管和速调管的优点，是具有一定带宽的高功率、高效率的微波大功率器件。近来，一种适合于小型化高功率真空电子器件的超材料被提出，加载此超材料的返波管具有小型化、高效率的特性也已经被验证。本论文将采用这种适合于小型化高功率真空电子器件的超材料，设计扩展互作用速调管。将超材料应用于扩展互作用速调管具有很大的前景，可能对速调管的小型化以及进一步提高速调管的效率起到推动作用。
　　本论文设计了一种加载超材料的S波段扩展互作用速调管，并对其进行了注波互作用研究。首先介绍了扩展互作用速调管的提出及发展过程，接着系统地介绍了速调管的工作原理，包括：速度调制、密度调制以及输出腔能量交换过程，最后给出速调管的设计过程：
　　1、结合双间隙耦合腔速调管理论，设计了加载新型超材料单元的扩展互作用谐振腔，并利用电磁模拟软件CST对其参数进行了优化。扩展互作用谐振腔的固有品质因数为1956.4、谐振频率为2.09GHz、特性阻抗为115.1；
　　2、根据扩展互作用谐振腔参数，计算得到电子注的工作点并设计了聚焦系统。采用同轴线作为输入输出腔的耦合结构，对输入耦合腔进行PIC仿真，通过优化耦合结构的参数使高频间隙电压最大，电子与电场的互作用程度达到最强；
　　3、计算EIK的最佳群聚距离，优化输出谐振腔耦合结构，最终得到整管长度约为14.93cm，在电子注电压为11.3kV，电子注电流为1.2A，输入信号功率为32W时，峰值输出电压 Vout=56V，输出信号幅值是输入信号的7倍；输出功率Pout=1.568kW，增益G=16.9dB，电子注直流功率Pd=13.56kW，电子效率?=11.6％。最后仿真得到速调管输出功率、增益和效率随不同工作参数变化的变化趋势。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 扩展互作用速调管的发展、现状及发展趋势

1.3 超材料

1.4 本论文的主要工作及创新

1.5 本论文的组织结构

第二章 速调管理论

2.1 速调管的基本结构

2.2 速调管的工作原理

2.3 速调管速调调制和密度调制

2.4 速调管输出腔中的能量交换

2.5 扩展互作用谐振腔理论

2.6 本章小结

第三章 基于超材料的S波段扩展互作用谐振腔

3.1 电子注参数的计算及磁聚焦系统的设计

3.2 扩展互作用输入输出谐振腔的设计

3.3 本章小结

第四章 基于超材料的S波段扩展互作用双腔速调管注波互作用

4.1扩展互作用速调管漂移管长度的计算

4.2 扩展互作用双腔速调管注波互作用的研究

4.3 扩展互作用速调管的优化

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

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