毫米波新型曲折波導行波管的研究.pdf

1、毫米波行波管，其工作頻段介于微波和紅外之間，具有絕對帶寬寬、波束窄、能全天候工作以及輸出功率大等優(yōu)點，在雷達、通信、遙感、電子對抗和等離子體診斷等方面顯示了巨大的應用潛力。因此對新型大功率毫米波行波管的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本論文在研究Ka波段曲折波導行波管的基礎上，從理論、粒子模擬和實驗等方面對毫米波段新型曲折波導行波管進行了深入的研究。主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　 一、設計了Ka波段曲折波導連續(xù)波行波管的慢波結構、衰減器和

2、能量耦合結構,建立了具有集中衰減器的注-波互作用三維模型,分析了電子注動能和高頻場能量的變化情況,得到了各頻點處的輸出功率。在此基礎上,裝配了曲折波導行波管,并進行流通率調試和熱測實驗,在測試中獲得飽和功率峰值95W。實驗測得的輸出功率和增益與粒子模擬結果比較吻合,研究表明:作為一種全金屬慢波結構,曲折波導慢波系統(tǒng)可以在較寬的頻帶內保證電子注與電磁波的同步條件,它具有大的功率容量,是發(fā)展寬帶大功率毫米波源的一個新的途徑。上述工作為新型曲

3、折波導的研究奠定了理論和實驗基礎。
　　 二、為了提高帶寬性能，研究了曲折雙脊波導行波管。提出了曲折雙脊波導慢波系統(tǒng)，建立了此種結構的高頻特性理論以及注-波互作用線性理論，然后利用MAGIC3D軟件建立了有衰減器的曲折雙脊波導行波管三維物理模型，對非線性互作用過程進行了模擬分析。通過與常規(guī)曲折波導行波管的粒子模擬結果比較，發(fā)現(xiàn)采用曲折雙脊波導作為注一波互作用結構，行波管的3dB增益帶寬提高了75％。說明曲折雙脊波導行波管能在更寬

4、的頻帶內實現(xiàn)毫米波功率的放大。這項工作對寬帶大功率行波管的研究具有參考價值。
　　 三、研究了Ka波段脊加載曲折波導行波管，提出了在直波導段加脊的變態(tài)曲折波導結構。從理論上分析了脊加載曲折波導結構的高頻特性和線性增益特性，通過粒子模擬研究了此類行波管的注一波非線性互作用過程，并加工裝配了一支實驗管，進行相關實驗調試。主要結果表明：隨著脊尺寸的增加，脊加載曲折波導結構的耦合阻抗提高了，從而小信號增益峰值增大，但波的色散增強，增益帶

5、寬變小；設計脊尺寸時，應當綜合考慮該尺寸對高頻特性和增益的影響。在33-37GHz頻率范圍內，脊加載曲折波導行波管的飽和輸出功率均大于100W;特別是在34.5GHz處，飽和輸出功率達到最大值154W，比常規(guī)曲折波導行波管的實驗結果提高了59W。
　　 四、為了進一步提高曲折波導慢波結構的耦合阻抗，改善此類行波管的增益性能，提出了兩種槽加載曲折波導慢波結構：單槽加載結構和雙槽加載結構。在理論上，獲得了它們的色散方程和耦合阻抗表達

6、式，并建立了此類結構的注一波互作用線性理論，通過數(shù)值分析，研究了槽尺寸對高頻特性和小信號增益特性的影響；采用粒子模擬的方法，研究了槽加載結構對大信號互作用強度的影響。主要結論為：槽加載提高了耦合阻抗和小信號增益峰值，同時增強了色散，減小了帶寬。相比于常規(guī)結構，采用雙槽加載結構的曲折波導行波管可以在更短的互作用距離內達到飽和，功率峰值和增益峰值分別提高了53.6％和21.4％；行波管的增益帶寬卻減小了。在研制小型化大功率毫米波行波管方面，