X及C波段大功率速调管的仿真模拟研究

发布时间：2020-07-10 07:01

【摘要】：速调管是一种发展较为成熟的微波真空器件,利用速度和密度调制原理,将电能转化为微波能量,具有高增益,高效率,高输出功率的特点,在军民两用方面,有着广阔的应用前景。本文对X波段TM_(310)多注速调管和C波段TM_(010)单注速调管进行了理论分析和计算机模拟。结合MAGIC、CST、CHIPIC等软件对整管进行了较为全面的研究。研究内容包括电子注的速度调制原理、密度调制原理、以及群聚现象与理论;感应电流原理,以及小信号的理论空间电荷波;大信号的理论部分,包括点对点模型以及盘对盘模型。本文首先分析了电子枪的主要性能和参数,包括电子注的导流系数和电子枪面压缩比以及阴极发射面密度。本文还对收集极做了阐述,主要包括电子回流产生的原因以及抑制电子回流的办法。在C波段单注速调管仿真过程中,输入电压为42kV,电流为18A,产生导流系数为2.2μP的电子注,并且电子注的层流性好,电子枪的设计符合要求。对X波段的多注速调管进行了收集极部分仿真研究,设计收集极的坡度斜率为0.200,输出腔与收集极部分之间的距离为12mm,仿真结果发现这两种情况下电子回流最低。利用CST对各个谐振腔的谐振频率进行了研究,主要是谐振腔漂移管头之间的间隙、谐振腔半径和谐振腔高度对谐振频率的影响。利用CST对各个谐振腔的品质因数进行了研究,主要是谐振腔漂移管头之间的间隙、谐振腔半径和谐振腔高度对品质因数的影响。利用粒子模拟软件分析了输入高频场的频率对输出功率的影响,以及谐振腔半径对输出功率的影响。本文还分析了磁场对聚焦系统的作用:在只有轴向磁场的情况下,电子注不能良好的聚焦,在满足布里渊函数的情况下,电子注通过率良好,但还会有少量的电子打在管壁上,研究发现电子的角向速度以及空间电荷力对电子注有较大影响。加入径向磁场后,电子注通过率升高,电子注聚焦效果好,速调管的工作性能好。最后,利用CHIPIC独特的建模界面对X波段多注速调管和C波段单注速调管进行三维仿真建模,考虑到尺寸、结构的重要性,采用非均匀网格划分,合理利用计算机内存,采用了分线程并行的数值模拟方法。对整管进行仿真模拟,X波段多注速调管输入频率为9.75GHz,输入功率为23W,得到输出频率为9.75GHz,峰值功率为123.3kW、平均功率为57.44kW的高频放大信号,效率约为34.7%,增益约37.28dB。C波段输入归一化为频率为1,输入功率为32W,得到输出归一化频率为1,峰值功率为300kW、平均功率为150kW的高频放大信号。带宽约50MHz,效率约为39.8%,增益约40dB。
【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】：TN122
【图文】：

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第一章绪论3 速调管的基本结构和工作原理速调管在发展的过程中，形成了多注、带状注、长脉冲等各种新型的速调管在以后的过程中，其他类型的速调管也将应运而生。3.1基本结构速调管结构精密，主要由电子枪、高频系统、磁聚焦系统以及收集极构成照电子光学系统划分的话，主要分为电子枪、聚焦系统、和电子注收集极三分构成，具体结构见图 1-1。

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谐振腔由漂移管连接起来，聚焦系统对电子注进行约束，主要防打在高频互作用段部分。收集极有很多类型，有降压式收集极，风冷收集极，水冷收集极，蒸发集极等。长度通常占整管的四分之一，主要负责收集完成互作用的电子子剩余部分的能量。输入输出结构通常与谐振腔首腔和末腔相连，输入部分主要把高频信号振腔中，通过高频互作用后，由输出结构通过耦合，把高频能量耦合出.2工作原理电子注首先从阴极发射，通过阳极和聚束极的作用，以一定形状进入漂移管串联各个谐振腔，与每个腔相交的部分分别有一段漂移间隙，电子最一腔间隙，第一个谐振腔与输入部分耦合连接，输入部分输入高频电磁间隙产生的高频电压远小于电子注输入电压，当电子注均匀通过高频间电压为正，电子在电压的作用下加速运动，反之，电子做减速运动。速方向是由电压的瞬时值决定。

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图 1-3 单注速调管 Y-Z 剖面图论文的组织形式和主要内容本文通过对 X 波段多注速调管谐振腔和收集极，C 波段单注速调管电子研究和仿真。设计了 X 波段多注五腔和 C 波段单注六腔速调管，研究了管在一定输入电压、电流下，输出功率、频谱、增益、效率的大小[9]。论形式和各章内容如下：第一章绪论本章是论文的综合叙述部分，着重介绍了速调管的发展历程、现状、未向，紧接着阐述了速调管的基本结构，工作原理等。本章最后着重介绍程中所使用的的三维粒子模拟软件 CHIPIC，叙述了它和其他软件的区别HIPIC 独有的特点。第二章速调管的基本理论本章首先介绍了速调管的工作过程与工作原理，过程由电子注的速度调

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