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螺旋线行波管及耦合腔行波管输入输出结构设计与优化

高留安  
【摘要】:行波管在微波和毫米波领域有着非常重要的作用,一方面是由于它的平均功率和能量利用效率都比较高;另一个方面它的频带比一般的半导体器件要宽的多。每年的国家重大专项中,它们往往是这些专项中的关键器件,在这些关键器件中螺旋线行波管和耦合腔行波管应用的最为广泛。为了顺利传输能量,就存在如何把高频电磁场信号传输到这些慢波结构上,这就需要输入输出结构。由于慢波结构和输入输出结构隶属于不同的结构,就存在传输结构之间的电磁场如何转换、阻抗如何更好的匹配等一系列的问题。论文正是在前人的基础之上对输入输出结构做了一些研究,主要研究工作包括: 1、建立慢波结构仿真模型。根据螺旋线行波管的参数,建立螺旋线慢波结构模型,并不断优化,使之能满足工作在6-18GHz的频段上;在建立慢波结构时,首先,在处理螺旋线的时候利用分段的方法把螺旋线分成三份,经仿真表明利用这样的方法可以有效降低慢波结构在低频端的阻抗,便于在慢波结构和输入输出结构进行阻抗间的匹配;其次,探索螺旋线与输入输出结构的连接方式,得到了合适的连接结构。最后,用HFSS(High Frequency Structure Simulator)对慢波结构模型进行仿真,得出慢波结构输入输出参数,包括:S参数(S11、S21),及VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)等。 2、建立同轴窗模型。用HFSS软件,建立同轴窗模型。先利用同轴线的模型计算出同轴所需的半径,及真空的半径,然后利用HFSS对敏感的参数进行扫描,得出最佳性能参数时的模型的参数。最后扫描出S参数(S11、S21),及VSWR。 3、把同轴窗输入输出结构的模型加在螺旋线行波管上,进行联合仿真,观察同轴窗输入输出结构对螺旋线慢波结构固有性能参数(包括S参数和VSWR参数)的影响,如果影响较小,则可以判定此窗体适用于螺旋线行波管。 4、根据耦合腔所提供的结构参数用HFSS建立耦合腔的模型,扫描出耦合腔在工作频带内性能参数,包括:S参数和VSWR参数。 5、根据盒形窗理论确定矩形波导和柱形波导的尺寸,以及介质片的尺寸,然后利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)对敏感的参数进行扫描,得出在感兴趣的频率范围内的结构的参数。 论文主要工作及创新主要体现在以下几个方面: 1.在6-18GHz行波管设计的过程中,通过以下几点工作来改善行波管的性能参数:第一、把螺旋线通常的整体结构分成三个部分去处理,把初始的每个螺距都是1.6mm,变成第一部分的螺距为1.9mm,第二部分的螺距为1.6mm,第三部分为1.9mm。第一个部分和第三个部分分别为三圈螺旋线。这样的螺距渐变能很好的优化行波管的性能;第二、为了实现良好的阻抗匹配,把同轴线设计成渐变的形式,即同轴线上半部分圆柱形,下半部分圆台形。第三、改变连接螺旋线与同轴线的连接机构来改善同轴窗与慢波结构的匹配程度。把连接机构改为长方体的形状,让长方体的截面与螺旋线的截面相同。同轴窗中的同轴线使用的是渐变形式,就是上面为圆柱形,下面为圆台形,使圆台的下底面为螺旋线截面的外接圆。通过连接机构的改变可以很好的让同轴线与螺旋线进行匹配。 2.在同轴窗体设计过程中,通过扫描找出使同轴窗性能参数变化敏感的结构参数,对此参数在一定的范围内进行分段扫描。得出了在不同结构参数时的VSWR参数,这对以后同轴窗用于不同的频段时的结构参数是很实际意义的。 3.在盒形窗设计过程中通过理论的计算,给出初始的结构参数,进行建模,然后利用HFSS对此模型进行仿真,得出对性能参数影响明显的结构参数,并对不同的结构参数进行扫描,得出了在不同结构参数时的性能参数,这对以后该盒形窗用在不同的频段对应不同的结构参数是有实际设计意义的。其次为了让此盒形窗工作在更宽的频带上把矩形波导窄边与宽边的比变为0.45,这样确实是使频带加宽了不少,此盒形窗可以工作在61-70GHz的频带范围上,这就说明此窗体可以工作在更宽的频带上,这就是说此盒形窗同样也适合于其它频段的耦合腔上,只是把连接耦合腔和盒形窗的过渡结构重新设计即可。改变矩形波导边长比也为调整带宽提供了借鉴。


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