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盘荷波导、脊加载盘荷波导和螺旋带慢波系统特性研究

张勇  
【摘要】:现代电子战、超宽频带高功率相控阵雷达、强力干扰机、微波定向能武器等的快速发展对高功率微波源提出了更高的要求。行波管以其高功率、宽频带、高增益和可多模工作的特性,在当今微波频率的功率放大器中占有重要地位。在行波管中,慢波系统是进行注波互作用实现能量交换的核心部件,其性能优劣直接决定了行波管整体的性能。 本论文用理论分析,数值软件模拟以及实验研究等不同的方法对行波管的慢波系统(以螺旋线为例)和相对论行波管的慢波系统(以盘荷波导为例)的高频特性作了全面的分析。另外提出了一种新型脊加载盘荷波导结构,分析了等离子体加载对盘荷波导慢波结构性能的影响,本文的冷特性研究结果可直接用于大信号研究,对相对论行波管的大信号特性进行了简要的分析,对盘荷波导的色散特性进行了实验研究。本文对行波管/相对论行波管慢波结构作了具有一定创新意义的理论分析及数值模拟,对于行波管和相对论行波管慢波结构的设计提供了理论依据。 本论文的主要工作和创新之处: 对盘荷波导的传统研究忽略了混合模,而实际上混合模对行波管的互作用也会产生一定的影响。考虑混合模式,采用严格的场论分析方法推导普遍的盘荷波导的色散方程和耦合阻抗的表达式,在此基础上设计了实用的盘荷波导慢波结构,应用于相对论行波管中。 从麦克斯韦方程和流体理论出发,推导了填充磁化等离子体慢波结构的基本方程。在大磁场情况下,首次对等离子体加载盘荷波导的色散特性和耦合阻抗作了研究,结果表明填充等离子体使色散曲线上移,耦合阻抗提高。等离子体填充产生出模式谱非常丰富的周期性低频等离子体模式(TG模式)。当等离子体密度增加到一定程度后,未加载等离子体的TM01模的频率范围和TG01模的频率范围相近,两个模式互相耦合产生出新的混合模G1,G2。 WP=10 发展了用傅立叶级数展开慢波结构边界函数求解周期加载波导结构的方法,使其不但可以计算轴向具有周期性的结构,也能计算角向具有周期性的结构。推导了通用性的色散方程,能对轴向和角向都具有周期性的波导结构求解。 提出了一种新型脊加载盘荷波导,对它的色散特性和耦合阻抗都进行了分析。在盘上加脊可以改善盘荷波导的带宽,有望在相对论行波管中得到应用。 首次考虑螺旋线厚度,翼片加载所引起的角向空间谐波,建立了有限厚度翼片加载螺旋线慢波结构的模型,计算了两种不同结构的色散特性,耦合阻抗和衰减常数。首次通过理论分析的方法得到加载翼片有最佳中心夹角θ存在,使相速最低。 考虑螺旋带厚度,对介质分层,取不同的径向相位常数,建立了螺旋带简单翼片模型。得到了翼片加载螺旋带慢波结构的色散特性、耦合阻抗和衰减常数,其计算结果与测量值吻合的很好。计算结果表明考虑螺旋带径向厚度可以极大的改善色散特性的计算精度。 分别采用电磁仿真软件MAFIA和HFSS对本文所研究的三种不同类型的慢波结构进行了数值模拟分析,并与解析结果和有关实验结果进行了对比。分析表明,MAFIA和HFSS两种软件尽管基础理论不同,但都可以对行波管慢波结构本征值问题进行较为准确的求解。 从模式展开理论出发,建立了相对论行波管的非线性互作用自洽工作方程组。应用该自洽工作方程组对X波段相对论行波管的注波互作用进行了分析。 设计了一种窄带和一种宽带盘荷波导慢波结构,制作了冷测模型,对模型用谐振法进行了冷测实验。实验结果表明:实验结果和理论值吻合得很好,验证了理论分析的可靠性。


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