帶狀束矩形螺旋線行波管的研究.pdf

1、行波管(TWT)是一類經典的微波電真空器件，它常常使用在毫米波雷達、精確制導、戰(zhàn)術戰(zhàn)略通信、電子對抗、輻射測量、遙感等領域中，其性能的優(yōu)劣直接決定了武器裝備的水平。隨著現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展，未來電子戰(zhàn)和空間技術迫切需求大量具有寬頻帶，高增益，重量輕，體積小等優(yōu)點的的緊湊型行波管。因此人們對尋找具有優(yōu)越性能的新穎緊湊的慢波電路表現(xiàn)出濃厚的興趣。同時為了降低系統(tǒng)的造價和提高效率，相控陣雷達、微波中繼系統(tǒng)、小型機載干擾設備、同軸電纜電視等微

2、波系統(tǒng)中也迫切需求大量具有結構簡單、工藝簡單、工作電壓低、價廉、體積小以及重量輕等優(yōu)點的緊湊型TWT。而傳統(tǒng)的TWT由于造價昂貴、體積笨重、熱耗散能力低而難以滿足這些要求。帶狀電子注和帶狀注器件是一個正在被開拓的熱點領域，帶狀束具有較小的橫向尺寸，因而是毫米波器件中所需要的理想的電子源，同時還具有較低的空間電荷效應、大電流、高功率，高效率等優(yōu)點，吸引了越來越多的真空電子學領域研究者的廣泛關注。因此，探索基于微電子機械系統(tǒng)MEMS(Mic

3、ro-ElectromagneticMechanicSystem)技術制作的，可與帶狀電子束互作用的新型行波管互作用電路來滿足軍事和民用電子裝備的需要，已經成為未來TWT發(fā)展的主要方向之一。因此對新型緊湊型行波管的研究具有非常重要的科學價值和現(xiàn)實意義。本文就是基于此思路，基于傳統(tǒng)的圓橫截面螺旋線慢波結構的研究基礎，探索了一類新型螺旋線慢波電路：矩形橫截面螺旋線慢波結構，從理論分析、數(shù)值仿真和實驗驗證三個方面對這類新型的矩形螺旋線慢波結構

4、進行了深入系統(tǒng)的研究。本論文的主要工作和創(chuàng)新點如下： 1．提出了橫截面為矩形的自由螺旋線慢波結構的理論。結合積分邊界條件，用變形的場匹配法，在Sheath模型下推導出其色散方程和平均耦合阻抗表達式。通過數(shù)值計算，分析了結構尺寸對色散和耦合阻抗的影響，得出橫截面的寬度對色散和耦合阻抗都有較大的影響，同時還與三維電磁仿真軟件HFSS的數(shù)據(jù)進行比較，理論結果和軟件仿真結果吻合得很好，驗證了所提出的理論分析方法是正確的。 2．通

5、過和前人的無限寬近似理論的比較，得出無限寬理論存在著局限性，只能用于研究很寬的平面螺旋線結構。通過和傳統(tǒng)的圓橫截面螺旋線慢波結構比較后發(fā)現(xiàn)：和矩形螺旋線的橫截面周長相同、螺距相同的圓螺旋線的色散和矩形結構的色散特性是接近的，而且矩形螺旋線比具有接近色散特性的圓螺旋線的耦合阻抗更高，尺寸更小，更適合用于緊湊行波管中作為慢波結構。 3．研究了均勻加載介質，且結合金屬屏蔽筒的矩形螺旋線慢波系統(tǒng)。建立了其物理分析模型，并獲得了色散方程和

6、耦合阻抗表達式。與電磁仿真軟件HFSS的仿真結果進行比較，理論和仿真的一致性證明了理論方法在分析實際結構中的有效性。通過數(shù)值計算分析了介質參數(shù)對介質加載矩形螺旋線慢波線高頻特性的影響，以及比較相同的結構尺寸下的真空中自由矩形螺旋線和加載介質的矩形螺旋線慢波結構的色散特性。 4．引入矩形實心的帶狀電子注，通過場分析方法，建立了帶狀束矩形螺旋線行波管的注波互作用的小信號理論，推導出這一結構奇模的“熱”色散方程。數(shù)值計算了結構參數(shù)和電

7、子注參數(shù)對帶寬和小信號增益的影響，同時比較了矩形和色散特性接近的圓螺旋線的注波互作用的小信號增益。 5．建立了帶狀電子注的一維空間電荷模型。借助等效電路模型，推導出矩形螺旋線行波管非線性工作方程組，然后對矩形螺旋線行波管互作用過程進行了計算機模擬，分析了歸一化高頻電壓、電子相位沿縱向的變化情況，解釋了管內注波非線性互作用的現(xiàn)象，計算出矩形螺旋線行波管的整管增益、輸出功率和互作用效率等參數(shù)。 6．用實驗的手段對矩形螺旋線慢