U波段介質(zhì)加載回旋行波管研究.pdf

1、回旋行波管在毫米波段具有高功率、寬頻帶等特點，在通信及電子對抗、受控核聚變、毫米波雷達、工業(yè)加工、等離子體加熱等方面有著十分廣闊的運用前景，近年來受到各國研究機構的高度重視?；匦胁ü艿陌l(fā)展過程中，其輸出功率、效率和帶寬受到對電子注速度零散的敏感性以及工作模式和競爭模式自激振蕩等因素影響，長期以來其性能得不到提高。通過各研究機構的不斷探索，出現(xiàn)了各種新型高頻波導結構以克服這些因素對器件性能的影響。隨著對回旋行波管穩(wěn)定性理論的深入研究，一

2、系列實驗證實了采用分布式介質(zhì)加載方案的回旋行波管能有效抑制工作模式和寄生模式的自激振蕩，即在回旋行波管內(nèi)一定長度的互作用段涂敷高損耗介質(zhì)材料，抑制接近截止頻率的工作模式和寄生返波模式產(chǎn)生的絕對不穩(wěn)定性，提高輸出功率和互作用效率、展寬頻帶，使器件性能取得重大突破。
　　U波段也稱為極高頻段(Extremely High Frequency)，定義為30GHz～300GHz，對應波長為1～10mm。與目前廣泛使用的C、Ku及正在開發(fā)使

3、用的Ka頻段相比， U波段衛(wèi)星通信可以獲得相當寬的使用帶寬(大于3GHz)，適合高數(shù)據(jù)率、大容量的衛(wèi)星通信；采用擴頻技術可以得到較高的處理增益；在 U波段，在波束一定情況下，天線尺寸大大減小，在衛(wèi)星上可以采用具有波束調(diào)零功能的天線和相控陣天線或者采用點波束來防止干擾；在 U波段，頻率高，天線口徑小，可以產(chǎn)生非常窄的波束，這種窄的波束難以阻塞，適合進行保密性很高的軍事通信，并且具有較高的接收和發(fā)射增益；采用 U波段進行衛(wèi)星通信，業(yè)務不擁擠

4、；國內(nèi)外使用較少，干擾較少，同時波束窄，定向性好。由于具有上述頻帶寬、干擾少、設備體積小的優(yōu)點，這一頻段通信容量大，可以大大提高擴頻、跳頻等抗干擾、抗截獲措施的性能，特別適合用于軍用戰(zhàn)略、戰(zhàn)術衛(wèi)星通信和大容量、高數(shù)據(jù)率的衛(wèi)星通信。U波段的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為戰(zhàn)術用戶提供實時、靈活、保密、抗干擾的通信支援，因此應及早進行 U波段軍事衛(wèi)星通信對抗的研究，研制出相應的設備，在未來可能發(fā)生的局部戰(zhàn)爭中，奪取電磁空間信息的優(yōu)勢。使用地面干擾站干擾

5、衛(wèi)星通信EHF上行鏈路(轉發(fā)器)時，目前大都仍然采用電真空器件來獲得U波段的大功率輸出，而回旋行波管放大器作為最具發(fā)展?jié)摿Φ母吖β饰⒉ㄔ闯蔀槭走x的器件。
　　本論文對U波段TE01模式分布式介質(zhì)加載回旋行波管注-波互作用和輸入輸出系統(tǒng)進行了理論研究和數(shù)值計算和模擬，為研制穩(wěn)定、高效的回旋行波管提供設計依據(jù)和計算程序。本論文的主要工作如下：
　　1．闡述了工作模式為 TEmn圓波導模的回旋行波管線性理論。通過求解Vlasov-

6、Maxwell方程并考慮引入介質(zhì)對色散方程的影響，對光滑波導小信號色散方程進行修正，使用介質(zhì)微擾法得到介質(zhì)加載回旋行波管的色散方程。
　　2．在小信號分析的基礎上，通過自洽求解有源的Maxwell方程與電子運動方程，給出了回旋行波管注-波互作用自洽非線性模擬方程，并考慮了速度零散和介質(zhì)加載對大信號自洽方程的影響。通過此方程結合回旋行波管的小信號理論，可以給出回旋行波管穩(wěn)定工作條件下最優(yōu)化的設計參數(shù)，為回旋行波的輸出功率提高、帶寬展

7、寬和效率提高提供有效的分析與模擬手段。
　　3．利用線性理論對回旋行波管放大器進行了穩(wěn)定性分析。編制了小信號工作模式穩(wěn)定性分析程序，小信號返波模式穩(wěn)定性分析程序，對分布式介質(zhì)加載互作用結構中工作和寄生模式的自激振蕩作了理論分析及數(shù)值計算。數(shù)值求解了工作模式在不同趨膚深度和介質(zhì)加載條件下的起振電流；介質(zhì)加載條件下工作和寄生模式的傳播損耗；對不同介質(zhì)加載條件和工作電流，給出了主要寄生模式的起振長度；確定了介質(zhì)加載厚度以及相對介電常數(shù)。

8、對介質(zhì)加載回旋行波管互作用系統(tǒng)進行了小信號增益分析，給出了小信號增益帶寬曲線。在綜合分析工作與寄生模式穩(wěn)定性和小信號增益的基礎上，確定了達到設計要求的分布式介質(zhì)加載回旋行波管工作參數(shù)。
　　4．編制了自洽非線性互作用模擬軟件，對回旋行波管的大信號特性進行數(shù)值計算，討論了回旋行波管克服模式競爭的機理和有關工作點及物理參數(shù)的選取，并結合用三維電磁仿真軟件 Magic對分布式介質(zhì)加載互作用結構進行模擬，驗證理論計算結果。通過理論分析和數(shù)

9、值計算，分析電子注參量、高頻輸入功率及頻率、外部磁場、高頻結構等對互作用效率、輸出功率及頻帶的影響，進行高頻系統(tǒng)的整體優(yōu)化。
　　5．利用場匹配方法優(yōu)化設計了輸入耦合器，利用高頻模擬軟件HFSS分析了耦合器中的模式純度。比較了耦合器各個結構參數(shù)對模式純度的影響，最終設計出了高模式純度寬頻帶輸入耦合器。對回旋行波管輸出漸變段與輸出窗進行了理論分析和數(shù)值計算，設計出了與高頻結構和收集極匹配很好的輸出漸變段和低反射系數(shù)且吸收功率很低的輸