平面型螺旋线慢波结构行波管的研究

摘要

平面螺旋线慢波结构行波管是更紧凑的、低成本、低电压、频带宽的一种新型行波管，可以应用于相控阵天线作为放大器。它的结构为一对电介质圆盘，导体材料的平面螺旋线慢波结构印制在圆盘的内表面，环形收集极密封在电介质圆盘周围，圆盘外部为聚焦结构，圆柱型电子枪在两个电介质圆盘之间，轴线与圆盘平面垂直。可以采用溅射、真空沉淀、等离子沉淀、光刻蚀等技术来实现。由于螺旋线慢波结构是平面型的，因此采用径向电子束，慢波结构中传播的慢电磁波的横向分量与径向电子束发生相互作用，从而实现能量放大。
　　本文首先研究了平面螺旋线慢波结构，它的特点为内外端点之间的螺旋线宽度逐渐增大，是一个无色散的结构。采用平面螺旋线慢波结构可以非常有效地减慢电磁波的相速，电子注的加速电压低至百伏。利用HFSS对20~40GHz频段，平面螺旋线慢波结构色散、同步、衰减、传输特性和耦合阻抗在不同尺寸的变化进行了仿真。在适当的慢波结构尺寸下，色散曲线较平缓，色散较弱；同步特性较好；衰减较小，慢波结构中电磁波与电子流互作用效率较高；有良好的传播特性；耦合阻抗比较理想。
　　其次，分析了微带与同轴线的模式转化，利用CST仿真了输入输出结构，得到了它的S参数。把该结构加到慢波结构上，通过变化内外端点的延长、内外端点的旋转角度、输入输出结构外半径与内半径之比仿真它的传输特性。得到了最优的尺寸使传输特性比较好。利用粒子工作室中的PIC求解器仿真得到波的传输特性比较好，只是传输的比较慢。
　　最后，设计了发射径向电子束的电子枪，电子束与电磁波的径向分量相互作用。采用一对平面螺旋线圈聚焦或永久磁铁聚焦两种方式研究了径向电子束的聚焦，使电子束更好的群聚，并且在通过互作用区域时不会被截获。此外，对于磁场方向、强度和位置对电子束运动的影响也做了初步的研究。在CST粒子工作室研究了低电压下粒子的运动情况，通过合适的磁场聚焦粒子能够顺利通过互作用区域。

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第一章 绪论

1.1 行波管及其慢波系统

1.2 径向带状电子束行波管发展历史

1.3 研究意义和目标

第二章 平面对数螺旋线行波管

2.1 平面对数螺旋线行波管的原理

2.2结论

第三章 平面对数螺旋线慢波结构的高频特性仿真

3.1 对数螺旋线慢波结构

3.2 电场矢量图

3.3 平面对数螺旋线慢波结构的高频特性

3.4 结论

第四章 平面螺旋线慢波结构的输入输出结构设计与仿真

4.1 S参数

4.2 同轴端口设计

4.3 慢波结构加上输入输出结构后的传输特性

4.4 结论

第五章 电子枪设计与仿真

5.1 径向电子枪设计

5.2 结论

第六章 结束语

6.1 总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果