徑向束行波管的研究.pdf

1、徑向束行波管是行波管中重要的一類管型，具有寬頻帶、低電壓及小尺寸的重要特點(diǎn)，在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)系統(tǒng)等對器件體積重量要求較高的軍事領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域都有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。為滿足現(xiàn)代軍事對抗對低電壓、小體積的微波放大器件的需求，拓展行波管的應(yīng)用領(lǐng)域，提高行波管的競爭力，開展對徑向束行波管的研究具有十分重要的意義。
　　本論文深入分析研究了徑向帶狀電子束的產(chǎn)生、聚焦及與慢電磁波互作用的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型慢波系統(tǒng)，為解決徑向

2、束行波管在毫米波段的工作難題提供了新的途徑。論文的重要工作和創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：
　　1．給出了徑向電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以及徑向電子束聚焦的布里淵磁場的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上詳細(xì)研究了徑向帶狀電子束的產(chǎn)生、傳輸和聚焦方式，包括新型圓柱側(cè)面發(fā)射陰極、環(huán)形陽極和徑向磁場等。并分別設(shè)計(jì)了陰極在內(nèi)、收集極在外的發(fā)散型和陰極在外、收集極在內(nèi)的收斂型電子光學(xué)系統(tǒng)。
　　2．提出了非周期慢波系統(tǒng)的色散特性和耦合阻抗的計(jì)算方法，并將之應(yīng)用于對

3、數(shù)螺旋線慢波系統(tǒng)的研究。分析了對數(shù)螺旋線慢波系統(tǒng)的互作用機(jī)理，設(shè)計(jì)了工作電壓在30 V的微帶型平面對數(shù)螺旋線行波管，研究了其色散特性和耦合阻抗隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，并通過粒子模擬的方法得到了注波互作用圖像，得到了其功率隨輸入電流和頻率的變化曲線，當(dāng)輸入功率40 mW時(shí)，計(jì)算得到了127 mW的輸出功率，在S波段的3-dB帶寬達(dá)3 GHz。
　　3.提出了波導(dǎo)型對數(shù)螺旋線徑向行波管的概念，以克服微帶型平面對數(shù)螺旋線慢波系統(tǒng)的工作電壓過低

4、、電流偏小以及工作頻段較低等缺點(diǎn)，并對其傳輸特性、色散特性和耦合阻抗進(jìn)行了研究，研究表明該結(jié)構(gòu)具有應(yīng)用于W波段徑向束行波管的潛力。
　　4.引入了平面角度對數(shù)曲折線慢波系統(tǒng)的新概念，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、小型化和便于集成等特點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)是對數(shù)螺旋線慢波系統(tǒng)的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以工作在更高的工作頻段；另外，不同的角度，對應(yīng)的工作電壓可以低至百伏以內(nèi)，也可以高至數(shù)千伏，這樣在相同的直流輸入功率下，所需的電子束電流更小，從而避

5、免了對數(shù)螺旋線慢波系統(tǒng)對電子注電流必須很大的限制，使陰極的工作壽命更長。采用這種慢波系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了工作電壓為1600 V采用收斂電子束和工作電壓為800 V采用發(fā)散電子束的Ka波段行波管，兩者的峰值輸出功率分別為160 W和27 W，3-dB功率帶寬分別為71.4％和80%，互作用效率分別達(dá)到了19.7%與21.7%，前者具有更高的工作電壓，因此可以給出更高的功率輸出，而后者則具有更充分的互作用，因此具有更高的效率和增益。
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6、.為了提高微帶角度對數(shù)曲折線慢波系統(tǒng)的輸出功率，本文提出了角向集成微帶角度對數(shù)曲折線慢波系統(tǒng)的概念。采用這種慢波線系統(tǒng)的行波管可以獲得與常規(guī)行波管差不多的功率輸出（數(shù)百甚至上千瓦），在帶寬和工作電壓上也具有一定的優(yōu)勢；同時(shí)，角向集成微帶角度曲折線慢波系統(tǒng)采用完整的徑向帶狀電子束工作，因此較單根微帶角度對數(shù)周期曲折線慢波系統(tǒng)更易于實(shí)現(xiàn)電子束的聚焦。
　　6.為了充分發(fā)揮平面角度對數(shù)曲折線的應(yīng)用潛力，本文研究了鏡像對稱的雙角度對數(shù)曲折

7、線慢波系統(tǒng)，并分別研究了工作電壓在800 V、工作頻段在Ka波段的、采用徑向收斂和發(fā)散帶狀電子束的行波管的注波互作用特性。模擬結(jié)果表明：采用徑向收斂帶狀電子束時(shí)，可以在20~50 GHz的頻率范圍內(nèi)輸出大于30 W的功率，最大功率為55 W，最大效率可達(dá)26%；而采用發(fā)散束的行波管，可以在20~45 GHz的頻率范圍內(nèi)輸出大于40 W的功率，最大功率為64 W，最大效率和增益分別為26.3%和19.5 dB，這兩種行波管的性能均優(yōu)于單層

8、的微帶平面角度對數(shù)曲折線行波管。
　　7.詳細(xì)研究了微帶型角度對數(shù)曲折線慢波系統(tǒng)的傳輸特性，包括參數(shù)變化對反射與傳輸參量的影響、介質(zhì)和導(dǎo)體材料對慢波系統(tǒng)的損耗的影響、以及慢波系統(tǒng)中主要損耗之間的對比等；設(shè)計(jì)了采用標(biāo)準(zhǔn)同軸連接器的微帶角度對數(shù)曲折線慢波系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)加工了工作頻率在12 GHz的慢波系統(tǒng)，在11~13.5 GHz的頻率范圍內(nèi)，其反射系數(shù)數(shù)S11小于-10 dB，傳輸損耗大于-1.5 dB，駐波系數(shù)小于2。在