Ka波段矩形耦合腔行波管研究

【摘要】：行波管是一种重要的大功率微波、毫米波电真空器件,自发明以来,在远距离通讯、雷达等领域一直有着重要的应用价值。常用的行波管有两种,一种是螺旋线行波管,一种是耦合腔行波管,行波管的工作带宽和输出功率都是半导体器件难以企及的。 本文研究了一种矩形耦合腔行波管,其高频系统采用周期矩形耦合腔链结构。设计带槽耦合的矩形膜片耦合腔链型慢波系统是从根本上降低慢波系统零件轴线几何尺寸公差的苛刻要求的方法之一。这种系统的电动特性与传统的圆膜片系统相同,具有很高的机械强度,可承受很大的热负荷。它在结构上由一块体积很大的开槽铜壳和一组带耦合窗的矩形膜片构成,其中矩形膜片被插入铜壳中预先加工好的槽内。这种结构可保证谐振腔电动参数在慢波系统长度上的高度均匀性,而且在装配慢波系统各段时可以限定公差变化范围。同样也可考虑通过挑选膜片来装配慢波系统,这样就能在整个器件最终装配之前进行“冷”测量并调整好单个谐振腔的参数。 本文首先采用微扰理论分析了矩形耦合腔慢波系统中相邻谐振腔之间的耦合度,通过数值计算分析了谐振腔和耦合槽几何尺寸对慢波系统的色散特性、耦合阻抗等特性的影响。 在慢波系统的设计过程中,电磁仿真技术是减小设计时间、提高设计效率的有效方法,可以大大节约多次试验带来的成本压力。本文采用CST微波工作室对矩形耦合腔慢波系统的色散曲线、耦合阻抗等冷腔特性进行了电磁仿真分析。分析了慢波系统的各个结构参数对电磁特性的影响,获得了慢波系统结构的优化参数。 然后采用CST粒子工作室对矩形耦合腔行波管中电子注与电磁波的注波互作用进行了粒子模拟。通过优化参数,使行波管能够获得大功率输出。但同时在粒子模拟过程中发现了自激振荡的问题。为了解决该问题,在慢波系统中引入了衰减器。通过粒子模拟,分析了衰减器导电率、数量和位置对损耗和输出功率的影响。结果表明,引入衰减器后,自激振荡得到有效的抑制,行波管能够获得稳定的功率输出,频谱特性得到改善。 经过理论分析、数值计算、电磁仿真与粒子模拟,本文对矩形耦合腔行波管进行了研究,获得了Ka波段的矩形耦合腔行波管的设计参数,其中心工作频率34.7GHz、最大输出功率16kW、3dB带宽大于500MHz、最大增益32dB。