W波段平顶型正弦波导行波管关键部件的设计

发布时间：2020-07-09 14:31

【摘要】：行波管是一种广泛应用于多个领域的真空电子器件,特别是在卫星,导弹,雷达,电子对抗等领域。行波管慢波结构的慢波特性的优劣对其器件的潜在工作性能起着决定性的作用,目前,对行波管慢波结构的研究已经成为提升器件性能的主要途径。电子科技大学大功率微波电真空器件国家级重点实验室经过大量的研究后,在2010年提出了一种新型的正弦波导慢波结构。研究表明,其具有优良的射频传输特性,同时又具有结构简单、容易加工等特点,是一种极具潜力的新型慢波结构。为了进一步提高其纵向电场强度及耦合阻抗,2012年,本课题组提出了一种新型平顶型正弦波导慢波结构。为充分挖掘平顶型正弦波导的潜力,同时为后期实验提供相应的解决方案,本文对W波段平顶型正弦波导行波管的关键部件进行了相关设计及优化工作。具体研究工作如下:1.在HFSS和CST软件中建立慢波结构的仿真计算模型,并对其色散特性及耦合阻抗特性进行了计算分析。完成了与常规正弦波导慢波结构的色散和耦合阻抗特性的对比分析工作。通过对比分析发现,在W波段内及相同的工作电压下,平顶型正弦波导慢波结构比正弦波导慢波结构具有更高的耦合阻抗。2.提出了一种可用于W波段大功率行波管的两段式高频电磁系统,并完成了输入输出结构和集中衰减器的优化设计。经过优化计算后,在90-100GHz频段内,高频电磁系统的反射参量S_(11)低于-17dB,S_(21)小于-45dB,说明系统具有较小的反射,满足设计要求。3.利用CST软件的粒子工作室完成了对W波段平顶型正弦波导行波管的注-波互作用的计算工作。计算结果表明,在90-98GHz频带内,其输出功率大于195W,在94GHz典型频点处的输出功率达到242W,对应的增益为33.9dB。同时,完成了与W波段常规正弦波导行波管的注-波互作用对比分析工作。对比分析表明,相同电气参数设置及相同的最优工作电压下,平顶型正弦波导行波管的输出功率较常规正弦波导行波管提高了约16.8%。4.对工作电压为21kV的平顶型正弦波导行波管互作用方案进行了优化。在降低工作电压的情况下,提出了在最大输出功率、大功率输出带宽、增益、3dB带宽等主要性能参数上各具特点及优势的三种优化方案;
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN124
【图文】：

行波管,带状,结构示意图,电真空器件

频段和中小功率的等场景需求下具有广泛应用[17]。但是在抗电磁干扰和大功率输出上却存在明显的局限性。随着对辐射源要求的不断提高，固态源已不能满足在某些高功率输出、高频率及强抗干扰性的高要求应用场景，如在防空反导系统、电子战系统、大功率卫星上通信等领域上对辐射源的大功率输出及强抗干扰性的要求等，因此发展毫米波电真空器件的重要性显得不言而喻。电真空器件产品极为丰富，如真空二极管、三极管、行波管（Traveling WaveTube， TWT）、返波管（Backward Wave Tube， BWT）、回旋管（Gyrotron）、速调管（Klystron）、磁控管（Magnetron）、自由电子激光器（Free electron laser）等[17-28]。随着相关技术的不断进步和发展，如精细加工技术、电脑仿真技术等，电真空器件的研究有了一个跨越式的发展，同时电真空器件的广泛应用也在不断地影响和改变我们的生活，为国防和通信事业的进步和发展做出了巨大的贡献。在电真空器件系列产品中，行波管是一种具有工作带宽宽、工作频率高、输出功率大、抗强电磁干扰等特点的重要辐射源[29]，在机载火控雷达、电子对抗、制导、成像、防空反导系统等领域应用广泛，其应用量占到了整个电子空器件应用的一半左右。图 1-1 为行波管的结构示意图。

慢波结构

(e) (f)图 1-2 典型慢波结构。(a)曲折波导慢波结构；(b)半周期矩形交错慢波结构；(c)矩形双波导慢波结构；(d)正弦波导慢波结构；(e)平顶型正弦波导慢波结构；(f)矩形螺旋线慢波除了对慢波结构的研究外，由于尺寸共渡效应，工作在高频段的行波管意具有较小的结构尺寸，因此对慢波结构的加工对其器件的工作性能产生着较影响。因此在加工工艺方面的提高也是提高行波管性能的一条有效的途径。调研得知，现在主流的几种慢波结构加工技术有：电火花加工、深反应离子和光刻、电铸、微成型以及最近较为热门的 3D 打印等技术手段，3D 打印技方面可以打印较传统加工工艺加工难度大的模型，且加工时间短；另一方面于 3D 打印技术在打印材料及精度方面还存在着一定的局限性，3D 打印尚不足一些对材料和精度要求高的慢波结构的打印需求。因此，对于加工工艺的和进步对于提高行波管的整体工作性能将有着重要的意义。

行波管,折叠波导

图 1-3 94GHz 行波管样品图[32] Thales 的公司在该管的基础上改进形成了 TH4402 管型[33]，工95GHz，两种工作模式的饱和峰值功率输出分别为 100W 和 1500MHz，占空比最大为 20%和 10%，总效率为 15%[27]。的L-3电子器件公司在2010年报道了一款采用折叠波导慢波结功率行波管，其设计的峰值功率为 250W，平均功率为 100W，在实际测试中发现，在 90.6GHz 和 91.4GHz 处分别实现了 300W率输出，3dB 的瞬时带宽[34]。内方面，中国电科 12 所、电子科技大学等单位对 W 波段行波究，并取得了一系列的成果[35-39]。北京真空电子技术研究所大件国家重点实验室于 2007 年报道了一款基于折叠波导慢波结构的研究进展[40]。其设计目标是在 2GHz 带宽内实现 10W 的连续续研究中，该管实现了在所需的频段内 10W 以上的连续波功率及相关的测试结果如图 1-4 和 1-5 所示。

【参考文献】