X波段环圈慢波结构行波管研究

发布时间：2020-10-20 14:49

　　 螺旋线行波管是雷达、通信和电子对抗等军事装备的心脏,以其功率大、频带宽、效率高、增益高、良好的信号传输放大性能等特点成为卫星通信、雷达、电子对抗系统中关键的微波功率放大器件。随着军事电子技术的发展,对行波管高频率、大功率、小型化提出越来越高的要求,而螺旋线行波管随着功率增大、频率升高,返波振荡问题更加严重,且难以实现大功率。本学位论文研究了一种具有高耦合阻抗和抑制返波振荡的慢波结构,适用于高频率、大功率行波管的发展。环圈慢波结构基波耦合阻抗高,单位长度增益大,可以满足行波管的小型化要求,并且环圈慢波结构独有的圈结构不仅可以增大基波耦合阻抗,还能够抑制返波振荡,在高机动、大功率、小体积、小重量雷达中具有广泛的应用前景。目前国内外对环圈慢波结构的研究较少,一方面是这种慢波结构加工困难,另一方面是国内对环圈慢波结构的优良性能没有直观的认识。本文将对环圈慢波结构的高频特性和抑制返波振荡的能力进行系统性的研究,为环圈慢波结构的设计优化提供依据。本学位论文主要内容和创新点如下:1.通过CST计算环杆与环圈慢波结构的色散特性与耦合阻抗。仿真结果表明圈结构具有降低相速和增大耦合阻抗的作用。分析环圈慢波结构表面电流和纵向电场分布,得出环圈慢波结构高基波耦合阻抗的机理。2.对X波段环圈慢波结构的几何尺寸进行扫描分析,在CST中,改变结构尺寸,得到不同尺寸的色散特性曲线及耦合阻抗曲线,分析不同结构尺寸之间的联系,获得各结构尺寸变化对环圈慢波结构高频特性影响的规律。3.通过MTSS软件对螺旋线和环圈慢波结构在X波段的起振电流与起振长度进行计算,仿真结果表明环圈慢波结构的起振电流与起振长度都为螺旋线结构的两倍以上;论文还得出环圈慢波结构中的圈宽度和半圆形圈结构的高度的变化对返波振荡抑制作用的一般规律。4.提出一种降低环圈慢波结构工作电压及偏移环圈慢波结构中心频率的方法,并成功应用于整管研制,经实测验证,已完成环圈慢波结构行波管工作电压由原来15kV降低到14kV,且中心频率向低端偏移1GHz的目标。
【学位单位】：中国电子科技集团公司电子科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN124
【部分图文】：

1 微波波段固态器件与单个电子管平均输出功率随频率变化关波管的概述行波管的基本结构管广泛应用于很多领域，常见的行波管结构也是大体相似的， 所示[10]。图 1.2 行波管的基本结构

电子科学研究院硕士学位论文2图 1.1 微波波段固态器件与单个电子管平均输出功率随频率变化关系图1.2 行波管的概述1.2.1 行波管的基本结构行波管广泛应用于很多领域，常见的行波管结构也是大体相似的，基本结构如图 1.2 所示[10]。图 1.2 行波管的基本结构(1)电子枪：在行波管中，电子枪的主要作用是提供一个尺寸特定、形状良好的电子注，电子注在电子枪中加速后稍快于电磁波相速。(2)聚焦系统：电子注中的电子相互靠近时，同性电荷相互排斥，导致电子注变形，而聚焦系统可产生外加磁场力，这种外加磁场力能够抵消同性电荷之间的排斥力，约束电子注的形状，使电子注不发生扩散，可以顺利的通过慢波系统而不被慢波系统截获，电子注在这个过程中与慢波系统中的电磁波发生的充分相互作用，实现电磁波信号的放大。(3)慢波结构：慢波结构一般是周期性结构，电子注与电磁场在慢波结构中发生互作用。慢波结构可以降低电磁波的相速，使电磁波与电子注发生同步，从

电子科学研究院硕士学位论文以增强基波耦合阻抗且对返波振荡有抑制作用。环圈慢波结构行波管单位长度增益大，所以行波管的尺寸可以做的更小。但是这两种慢波结构的相速很高，色散特性曲线起伏大，带宽相较于螺旋线结构很窄。1.2.4 行波管的国内外发展状况目前，科研人员一方面开发新的技术，使用新的材料，更新加工工艺等，对传统的螺旋线行波管、耦合腔行波管、环杆和环圈慢波结构行波管进行改进升级，从而提升这些管型的性能。另一方面，通过探索开发新型的毫米波、亚毫米波慢波结构，从而得到具有更高工作频率、更大工作带宽、更大基波耦合阻抗和更高电子效率的慢波结构[14]。科研人员提出了很多全金属毫米波慢波结构，例如：为了得到高功率毫米波行波管，设计出了图 1.3 所示的曲折波导慢波结构[15]和曲折双脊波导慢波结构[16]。以及脊加载曲折波导[17]和槽加载曲折波导[18]。
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本文编号：2848815