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Ka波段新型曲折双脊行波管的研究

杨小燕  
【摘要】:毫米波行波管具有波长短、频带宽、波束窄、受气候因素影响小等特点,其在军事和国民经济中具有广泛的用途。慢波系统作为行波管中注-波互作用的核心部件,其性能直接决定了行波管的发展水平。传统的螺旋线行波管具有很宽的带宽,但是其功率容量很小,而耦合腔行波管虽然功率容量大但是带宽却非常窄。而曲折双脊波导作为一种新型慢波结构,具有良好的带宽,但是其耦合阻抗较低,从而限制了微波能量的放大。 基于Ka波段曲折双脊波导行波管的研究,本论文研究了两种新型的曲折双脊波导行波管,对它们的色散特性和耦合阻抗特性进行了模拟,并用三维粒子模拟软件CST对这两种新型行波管的大信号注-波互作用过程进行了模拟分析,得出他们的耦合阻抗比同尺寸常规曲折双脊波导高,而且保留了曲折双脊波导宽带宽的优点。同时电子效率和增益也更高。另外,为进一步提高行波管的输出功率,本文在曲折双脊波导的基础上,考虑利用带状电子注代替传统的圆形电子注参与注-波互作用过程,完成了对Ka波段带状注新型曲折双脊波导行波管的模拟研究。本文以Ka波段为例进行了研究。 1.曲折双脊波导。描述了此种慢波结构的高频特性理论,利用HFSS高频仿真软件进行模拟后,得到了其色散曲线和耦合阻抗曲线,并研究了各结构尺寸对其高频特性的影响。 2.单槽加载曲折双脊波导。通过模拟比较,它在Ka波段33GHz附近输出功率比常规曲折双脊波导高,且增益和电子效率也更高,其3-dB增益带宽约为6GHz,在29-39GHz频段内输出功率达50W以上。另外,相比于常规结构,该槽加载曲折双脊波导行波管达到饱和时所需的注-波互作用距离更短。 3.双槽加载曲折双脊波导。以Ka波段32GHz为中心频率时,和常规曲折双脊波导相比,该结构具有极其平坦的色散曲线及更高的耦合阻抗,因而它可以获得更高的连续波输出功率和电子效率。利用CST仿真软件模拟,与单槽加载曲折双脊波导慢波结构相比,在相同慢波结构长度条件下,要得到相同的功率输出,本节研究的双槽加载曲折双脊波导行波管仅需要较低的电子注电压。因此可以降低加在电子枪上的电压。但是,该结构的3-dB增益带宽约为4.5GHz,相比于单槽加载曲折双脊慢波结构有所变窄。可见,槽加载波导是以降低带宽为代价来获取较高的输出功率。 由上可知,在研制小型化、高功率毫米波行波管方面,这种槽加载曲折双脊波导行波管具有很好的发展潜力。


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