高功率W频段共焦波导回旋行波管研究和设计

发布时间：2020-08-24 23:08

【摘要】：毫米波频段回旋器件的输出功率和增益与常规线性注真空电子器件相比具有明显的优势,其中回旋行波管由于兼具高功率和宽频带特性,在高分辨雷达、电子对抗、高速通信系统和医学成像系统等军用和民用领域具有广阔的应用前景和巨大需求。从上世纪末分布式高频电路被提出并获得巨大成功以来,国内外很多单位基于该结构进行微波毫米波段回旋行波管研制,目前Ka等频段回旋行波管已开始走出实验室并踏上了实用化道路,然而W及以上频段(短毫米波段)回旋行波管相对于低频段回旋行波管的发展相对滞后,究其原因主要有:受尺寸共度效应限制,管子在进入短毫米波段后高频电路尺寸过小,平均功率容量受限、电子注截获问题加剧;高频率工作时,诸如表面粗糙度大、微小的加工和装配公差等因素都可能导致管子性能急剧下降。以上因素限制了短毫米波段回旋行波管性能的发挥。此时,采用更高阶模式工作是一种有效的解决方案。高阶模工作可以有效增大高频电路尺寸,从而提升平均功率容量、增大电子注通道并降低加工和装配要求。然而,当回旋行波管工作在高阶模式时,电子注色散曲线必然与低阶模式相交于负传播常数区域,来自低阶模式的返波振荡将会成为回旋行波管的主要不稳定因素之一。为了缓解高阶模式工作引起的模式竞争和寄生振荡问题,美国麻省理工学院(MIT)先后提出了共焦波导和光子晶体带隙两种新型的高频电路,由于辐射损耗特性,这两种结构具有天然的模式选择特性,能有效降低高频电路中的模式密度,这缓解了高阶模式稳定工作的难度。其中光子晶体带隙结构受工艺难度、高频电路散热等限制,目前尚缺乏基础。本论文集中开展了共焦波导回旋行波管理论研究和设计工作,为下一步实现高功率高频率共焦波导回旋行波管的工程化和产品化奠定基础。对于工作在W波段的回旋行波管,HE_(04)模式共焦波导高频电路的功率容量约为TE_(01)模式圆波导高频电路的四倍,对应的电子注通道尺寸约为两倍关系。尽管共焦波导具有模式选择特性,能衰减掉m0的HE_(mn)模式,但是HE_(0n)模式仍是可能出现的振荡模式,设计中须重点考虑。从MIT在2003年首次报道了共焦波导回旋行波管的样管测试结果开始,经过国内外各单位近15年的研究,这种新型高频电路的功率、增益等输出指标却远未达到常规封闭波导高频电路的输出性能,完全没有发挥出回旋行波管的宽带、高功率、高增益等优势。可见,该结构在工程应用上仍存在诸多不稳定性因素(包括返波模式振荡和工作模式自激振荡)以及限制该结构输出功率和带宽等性能发挥的因素(如输入耦合器效率和带宽性能)。本文集中研究了共焦波导高频电路,开发了一套功能完善的共焦波导回旋行波管设计软件;同时,充分挖掘和分析了各单位前期的样管试验结果,针对性地解决了其中的一些限制管子性能发挥和影响其稳定性的关键问题。具体内容如下:1.开发了一种高效高精度的通用共焦波导衍射损耗计算方法,尤其适用于大损耗情况下的衍射损耗计算,解决了现存方法在研究不同镜宽共焦波导损耗特性时适应范围窄的问题。2.研制了一种宽频带高效率共焦波导输入耦合器,其测试性能远高于文献报道的最高水平,解决了MIT在研制过程中遇到的输入系统插损过大导致管子无法驱动到饱和状态,以及带宽受限无法发挥高频电路宽带特性的难题。另外还研制了两种用于高频电路测试的新型宽带共焦波导模式激励器,其中磁耦合结构测试结果与仿真吻合良好,且其带宽、转化效率、带内平坦度等指标均远远高于文献报导的最高水平。3.发现了共焦波导中特有的衍射反馈机制,该机制会引起共焦波导高频电路总损耗降低,导致稳定性降低,这极有可能是MIT等单位前期研制中遇到的管子稳定性不佳的重要原因。设计了仿真模型对该机制进行了解释和验证,最后利用所研制的磁耦合模式变换器设计实验进行了验证。4.详细推导了共焦波导高频电路中的结构因子、规范因子和注-波耦合系数,导出了共焦波导回旋行波管的动力学理论与非线性理论,两种理论的数值计算结果吻合良好。5.基于上述理论开发了功能完善的共焦波导回旋行波管设计软件。主要功能包括:色散特性分析、通用衍射损耗计算,分布式高频电路在任意磁场分布下的放大特性分析,以及均匀高频电路主要振荡模式的起振阈值分析等。最后给出了W频段非均匀分布损耗共焦波导回旋行波管的理论设计实例和PIC模拟验证结果。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN124
【图文】：

回旋器,高频电路,一览表,线性

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回旋行波管,寄生振荡,里程碑,行波管

图 1-2 回旋行波管发展历程第二个阶段从二十世纪八十年代末开始，台湾清华大学（National Tsing HuaUniversity, NTHU）掀起了又一轮回旋行波管研制的高潮，并取得了里程碑式的成果。这一时期研究人员对寄生振荡的三大诱因（工作模式在近截止处的绝对不稳

高频电路,模式选择,螺旋波纹,回旋行波管

(b) 1-3 两种具有一定模式选择特性的高频电路。(a)开缝波导结构[45]；(b)开槽波导结构除了以上介绍的圆波导高频电路，螺旋波纹波导（Helically corrueguide, HCW）也是一种重要的回旋行波管高频电路类型。英国思克莱德niversity of Strathclyde）和俄罗斯应用物理研究所（IAP）合作开展了一系旋波纹波导高频电路和大回旋电子枪的回旋行波管研制工作。螺旋波纹改变了光滑波导在近截止频率处的色散特性，从本质上减小了绝对不稳的可能，保证了放大器的稳定性。此外，由于结构中电磁波的相速在很范围内保持不变，使得放大器能够实现宽频带工作。1998 年，G. G. D研制的X波段螺旋波纹波导回旋行波管，在 200 kV的电压驱动下得到了 1.1 MW，增益 23 dB和效率 20%的结果[63]。2002 年研发出工作在Ka波段值功率 180 kW，增益 25 dB的螺旋波纹波导回旋行波管[64]。2007 年，英德大学报道了X波段螺旋波纹波导回旋行波管在速度比为 1.2，电压 18流6.0A条件下得到了输出功率220 kW，增益24 dB，效率20%，饱和带宽

【参考文献】