V波段曲折波导行波管及新结构的研究

发布时间：2018-02-01 15:37

本文关键词： V波段曲折波导行波管新型曲折波导宽带高功率　出处：《电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：V波段是一个重要的大气衰减窗口。V波段行波管作为放大器件近年来在近距离保密通信、卫星通信和卫星对抗领域得到了世界范围内的广泛研究。相对于欧美、日本等国,我国对该频段的开发利用相对滞后。目前,国内已有20W量级采用螺旋线慢波结构的V波段行波管处于样管研制阶段,但是当频率上升到该频段后,螺旋线横向尺寸变得很小,线径很细,加工装配困难,功率容量急剧下降,散热不易,可靠性及环境适应性方面都存在诸多困难。所以,研究其他类型慢波结构的行波管以满足我国在该频段的应用需求显得极为迫切。慢波结构作为行波管的核心部件,是电子注与电磁波进行互作用并完成能量交换的通道,其性能直接决定了行波管的技术水平。本文从几种全金属、结构简单的慢波结构出发,重点介绍了开放式矩形栅波导和曲折波导,通过对比,结合实用性、可实现性、研制基础及技术积累,选择了曲折波导行波管及其新结构作为研究内容。曲折波导具有功率容量大、带宽较宽、机械强度高、结构易加工、可复制性强、散热性好等优点,且适合进行频率缩尺设计,工作频段可跨越厘米波直至太赫兹的多个波段,可作为一种大功率、宽带小型化的辐射源,应用于通信(含卫星)、电子对抗、雷达、制导、遥感探测等众多领域。本文在理论研究的基础上成功设计并制造加工出V波段曲折波导行波管,完成了实验研究,进行了小信号下的高频特性测试和大信号下的输出功率、带宽等测试;为了将行波管总效率提升到10%以上,设计加工了三级降压收集极并完成了整管装配;为了获得更高性能,设计了三种极具实用价值的新型曲折波导慢波结构并进行了小信号和大信号研究,可为后续改进型的V波段曲折波导行波管加工制造提供理论支撑。与常规结构相比,几种新结构在维持带宽的同时能显著提升输出功率。本论文的主要研究内容和成果总结如下:1.在理论研究的基础上完成设计并成功制造出V波段曲折波导行波管,进行了“冷测”和“热测”实验研究,在V波段获得了国内领先的5GHz带宽及大于30W的输出功率。2.为了将行波管总效率提升到10%以上,设计加工了三级降压收集极并完成了整管装配,克服了10kV以上高电压、小体积、多收集极绝缘及散热问题,结合软件仿真及行波管制造经验公式计算,总效率可达到12.9%。3.为了提高输出功率,提出并设计了一种直角槽加载新型曲折波导行波管慢波结构,经高频特性和大信号注-波互作用特性研究发现,与常规结构相比,新结构不仅将整个5GHz带宽内的功率提高了30%,而且将行波管慢波结构长度降低了20%,单位长度增益更高。经计算,改进能量输出结构材料后可在V波段5GHz的带宽范围内获得大于50W的输出功率,满足宽带大功率应用的需求。4.为了降低工作电压,增加实用性和可靠性,同时简化结构以便加工,提出并设计了一种10.5kV工作电压的外矩形槽加载曲折波导行波管慢波结构,研究发现,与常规结构相比,新结构输出功率更高,可获得大于30W的功率及5GHz带宽,满足低电压宽带应用的需求。5.为了进一步提高曲折波导行波管的输出功率,提出并设计了一种内矩形槽加载曲折波导行波管慢波结构。经小信号仿真发现,新结构的耦合阻抗在工作频段高端不再下降,反而进入上升趋势,这一反常特性显著改善了常规结构中由于频率上升,耦合阻抗快速下降引起的互作用效率降低问题。经大信号仿真发现,该结构可在V波段4GHz的带宽内达到70W输出功率,5GHz的带宽范围内达到大于50W输出功率。同时由于增益增加,慢波电路长度可比常规结构减少1/3,满足大功率小型化的应用需求。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN124

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