MPM用小型行波管CAD研究.pdf

1、下一代雷達、通訊、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)，對微波功率器件的性能提出了新的挑戰(zhàn)，如要求高的峰值和平均功率、極寬的頻帶、低的噪聲、增益和相位的一致性等。同時，先進的機栽和空間武器系統(tǒng)對器件體積、重量、效率、壽命、可靠性等也提出了非常嚴格的要求。在這樣的需求背景下，微波功率模塊MPM(Microwave Power Module)是于上世紀九十年代開始出現(xiàn)的一種新型微波功率器件。歷經(jīng)十余年的發(fā)展，MPM在國外已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于雷達、電子對抗、電

2、子誘餌、相控陣列、空間通信等軍事與民用領(lǐng)域。 被稱為“超級器件”的MPM，是由高壓開關(guān)電源、固態(tài)功放和小型行波管組成。小型行波管處于MPM的輸出末端，是整個模塊的核心和關(guān)鍵部件，其性能直接決定了整個模塊的性能。因此，研制MPM必須首先解決小型行波管的設(shè)計與制作問題。另外，小型行波管除用于MPM外，還可單獨用在雷達、電子對抗、空間通訊等裝置中，達到裝備小型化的目的。小型行波管除了要求體積小以外，還要求工作電壓低、效率高、工作頻帶寬

3、等，完全靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計和理論分析已基本失效，必須更多的依賴現(xiàn)代CAD技術(shù)進行設(shè)計和研究。 本論文主要對MPM用小型行波管各組成部件，進行理論分析和CAD研究，在此基礎(chǔ)上實際制作并實驗測試。本論文的主要工作包含以下幾個方面的內(nèi)容： 一、設(shè)計出了2～6GHzMPM用小型行波管，實測邊頻帶輸出功率超過50W，中間頻帶輸出功率超過100W，整管尺寸小于260mm×30mm×25mm。 二、小型行波管高頻特性方面的研究：

4、①使用場匹配的方法對脊頭支撐脊加載螺旋慢波系統(tǒng)的高頻特性進行了理論分析，在螺旋導(dǎo)電面模型和有限翼片模型的基礎(chǔ)上，提出了在脊頭區(qū)域和夾持桿區(qū)域作扇形等效的處理方法，從而使求解過程更加簡潔明了，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了色散方程、耦合阻抗和衰減常數(shù)的計算公式；②為了能將三維通用仿真軟件用來計算螺旋慢波系統(tǒng)的高頻特性，對CST Microwave Studio、Ansoft HFSS、CST Mafia三種電磁仿真軟件進行了二次開發(fā)，編制了能計算不同類

5、型慢波結(jié)構(gòu)高頻特性的宏程序模塊，這比使用圖形用戶界面的方法更簡潔，大大方便了行波管研制人員的使用；③利用三維仿真軟件，對傳統(tǒng)的微擾法測量慢波系統(tǒng)耦合阻抗所引入的假設(shè)和近似進行了定量的分析和討論，第一個提出了直接采用耦合阻抗定義法的三維模擬仿真，使其成為低成本、高精度獲取慢波系統(tǒng)耦合阻抗的工程實用方法；④對2～6GHz小型行波管慢波電路加工公差對高頻特性和輸出功率的影響進行了分析計算，為生產(chǎn)廠家在成品率和成本之間作出折中和有效控制工藝參數(shù)

6、提供了參考。 三、小型行波管注-波互作用方面的研究：①對注-波互作用進行了非線性理論分析，在考慮高次諧波作用的情況下，從新推導(dǎo)了田炳耕的非線性工作方程，在考慮電流和場在電子注截面橫向分布的情況下，從新推導(dǎo)了瓦因斯坦的空間電荷場計算公式：②同時使用分別基于一維和兩維非線性解析理論的大信號軟件，對行波管的注-波互作用進行了計算，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了兩套2～6GHz小型行波管的加工方案，并對直流工作點、截斷、集中衰減等對互作用的影響進行

7、了分析；③采用粒子模擬PIC(Particle-In-Cell)軟件MAGIC，編制了螺旋線行波管2.5維PIC代碼，對注-波互作用的非線性物理過程進行了粒子模擬分析，并優(yōu)化了管子的最佳化運行參數(shù)；④對行波管提高電子效率技術(shù)進行了研究，通過輸出段采用正-負雙跳變慢波結(jié)構(gòu)，將一支8～11GHz行波管的電子效率提高了十個百分點；⑤對色散成型和諧波抑制技術(shù)進行了理論分析和模擬研究，通過重加載慢波結(jié)構(gòu)形成反常色散，來對諧波進行了有效抑制，將2～

8、6GHz小型行波管低端的二次諧波改善了6dB。 四、小型行波管輸能接頭方面的研究：①要實現(xiàn)輸能接頭的良好匹配，就必須首先要知道慢波系統(tǒng)的特性阻抗，首次提出了“有效網(wǎng)絡(luò)法”的概念，從這個角度推導(dǎo)了脊頭支撐脊加載螺旋慢波系統(tǒng)的特性阻抗表達式；②從網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)矩陣出發(fā)，從帶雙接頭的螺旋慢波系統(tǒng)的整體S參數(shù)仿真中，推導(dǎo)出了單接頭的S參數(shù)矩陣；③最后對一同軸到同軸的轉(zhuǎn)換，進行了優(yōu)化計算，設(shè)計出了同軸轉(zhuǎn)換小型接頭。 五、小型行波管電子光