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矩形波导栅行波放大器的研究

路志刚  
【摘要】: 行波管是微波电真空器件中最主要的器件,广泛应用于毫米波雷达、制导、战略战术通信、电子对抗、遥感、辐射测量等领域,它的性能直接决定着武器装备的水平,因此对新型高功率短毫米波行波管的研究具有很重要的现实意义。本文从理论和实验两方面对一类新型的矩形波导栅慢波结构进行了深入的研究。主要工作和创新点如下: 一、研究了存在边墙的双矩形波导栅慢波结构。首先分析了结构尺寸对色散和耦合阻抗的影响;然后研究结构的趋肤损耗效应,得出槽深度和栅周期的比值决定了损耗的大小;最后建立了双矩形波导栅行波管的注-波互作用线性理论模型,研究了此类行波管的小信号增益特性。 二、为了在槽深度一定的前提下,降低相速,展宽频带,研究了脊、阶梯加载矩形波导栅慢波结构,获得了其色散方程和耦合阻抗的表达式,在此基础上,通过数值计算研究了此类慢波线的电磁波传输特性。 三、提出了在矩形波导栅的顶板上加载介质层以增加其带宽的建议,在理论上分析了介质参数对介质加载矩形波导栅慢波线高频特性的影响,以及用线性理论模型研究了这些参数对此类行波管性能的改变。 四、提出了分析任意槽矩形波导栅慢波结构的一种普遍分析方法,这一方法不仅适合于矩形槽栅慢波结构的分析,也适合于梯形、燕尾形、余弦形槽等的分析;利用此方法获得了任意槽矩形波导栅慢波结构的普遍色散方程和耦合阻抗表达式,在此基础上,研究了槽的形状对矩形波导栅慢波结构的高频特性的影响;同时,建立了分析任意槽矩形波导栅行波管的注-波互作用线性理论模型,研究了槽形状对小信号增益的影响。 五、从实验方面探讨了槽形状对矩形波导栅慢波结构高频特性的影响以及输入输出结构的耦合问题。采用分步加工的方法,成功制作了梯形、矩形、燕尾形槽慢波结构模型,对这些模型的色散特性进行了测量,测试结果验证了理论分析的正确性。同时,设计了工作在8mm、3mm波段的带输入输出结构的矩形波导栅慢波结构,并制作实验模型,测得其驻波系数、S_(11)参数以及色散曲线,结果与模拟值吻合良好。 六、为了进一步降低相速,研究了内开槽矩形波导栅慢波结构,用三维电磁模拟软件进行模拟,分析了结构尺寸对其色散特性和耦合阻抗的影响。 七、为了实现管内功率合成,提出了多排栅结构——光子晶体结构,这种结构可以实现多电子束工作。为了分析这种结构,提出了以平面波展开法为基础的基于积分方程的混合平面波展开法,通过数值计算求得了其色散特性和带结构。 八、在介质加载圆柱波导的基础上,研究了介质加载矩形波导结构。首先采用等效电路和场匹配的方法给出了介质加载矩形波导结构的色散方程和场分布,并通过计算R/Q值求得了电子束传输通过慢波结构激励的电磁波功率;然后分析了Dipole模式对电子束稳定性的影响,给出了电子束在偏离中心位置处传播时,产生的横向作用力;最后设计了采用介质加载矩形波导结构的功率源器件,其工作频率为7.8GHz,并进行了简单的实验测量,测试结果与理论计算值符合良好。


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