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带状束矩形螺旋线行波管的研究

付成芳  
【摘要】: 行波管(TWT)是一类经典的微波电真空器件,它常常使用在毫米波雷达、精确制导、战术战略通信、电子对抗、辐射测量、遥感等领域中,其性能的优劣直接决定了武器装备的水平。随着现代电子技术的飞速发展,未来电子战和空间技术迫切需求大量具有宽频带,高增益,重量轻,体积小等优点的的紧凑型行波管。因此人们对寻找具有优越性能的新颖紧凑的慢波电路表现出浓厚的兴趣。同时为了降低系统的造价和提高效率,相控阵雷达、微波中继系统、小型机载干扰设备、同轴电缆电视等微波系统中也迫切需求大量具有结构简单、工艺简单、工作电压低、价廉、体积小以及重量轻等优点的紧凑型TWT。而传统的TWT由于造价昂贵、体积笨重、热耗散能力低而难以满足这些要求。带状电子注和带状注器件是一个正在被开拓的热点领域,带状束具有较小的横向尺寸,因而是毫米波器件中所需要的理想的电子源,同时还具有较低的空间电荷效应、大电流、高功率,高效率等优点,吸引了越来越多的真空电子学领域研究者的广泛关注。因此,探索基于微电子机械系统MEMS(Micro-Electromagnetic Mechanic System)技术制作的,可与带状电子束互作用的新型行波管互作用电路来满足军事和民用电子装备的需要,已经成为未来TWT发展的主要方向之一。因此对新型紧凑型行波管的研究具有非常重要的科学价值和现实意义。本文就是基于此思路,基于传统的圆横截面螺旋线慢波结构的研究基础,探索了一类新型螺旋线慢波电路:矩形横截面螺旋线慢波结构,从理论分析、数值仿真和实验验证三个方面对这类新型的矩形螺旋线慢波结构进行了深入系统的研究。本论文的主要工作和创新点如下: 1.提出了横截面为矩形的自由螺旋线慢波结构的理论。结合积分边界条件,用变形的场匹配法,在Sheath模型下推导出其色散方程和平均耦合阻抗表达式。通过数值计算,分析了结构尺寸对色散和耦合阻抗的影响,得出横截面的宽度对色散和耦合阻抗都有较大的影响,同时还与三维电磁仿真软件HFSS的数据进行比较,理论结果和软件仿真结果吻合得很好,验证了所提出的理论分析方法是正确的。 2.通过和前人的无限宽近似理论的比较,得出无限宽理论存在着局限性,只能用于研究很宽的平面螺旋线结构。通过和传统的圆横截面螺旋线慢波结构比较后发现:和矩形螺旋线的横截面周长相同、螺距相同的圆螺旋线的色散和矩形结构的色散特性是接近的,而且矩形螺旋线比具有接近色散特性的圆螺旋线的耦合阻抗更高,尺寸更小,更适合用于紧凑行波管中作为慢波结构。 3.研究了均匀加载介质,且结合金属屏蔽筒的矩形螺旋线慢波系统。建立了其物理分析模型,并获得了色散方程和耦合阻抗表达式。与电磁仿真软件HFSS的仿真结果进行比较,理论和仿真的一致性证明了理论方法在分析实际结构中的有效性。通过数值计算分析了介质参数对介质加载矩形螺旋线慢波线高频特性的影响,以及比较相同的结构尺寸下的真空中自由矩形螺旋线和加载介质的矩形螺旋线慢波结构的色散特性。 4.引入矩形实心的带状电子注,通过场分析方法,建立了带状束矩形螺旋线行波管的注波互作用的小信号理论,推导出这一结构奇模的“热”色散方程。数值计算了结构参数和电子注参数对带宽和小信号增益的影响,同时比较了矩形和色散特性接近的圆螺旋线的注波互作用的小信号增益。 5.建立了带状电子注的一维空间电荷模型。借助等效电路模型,推导出矩形螺旋线行波管非线性工作方程组,然后对矩形螺旋线行波管互作用过程进行了计算机模拟,分析了归一化高频电压、电子相位沿纵向的变化情况,解释了管内注波非线性互作用的现象,计算出矩形螺旋线行波管的整管增益、输出功率和互作用效率等参数。 6.用实验的手段对矩形螺旋线慢波结构色散特性进行了测试。首先加工出特定尺寸的矩形截面的钼芯杆,并在绕丝机上成功绕制成矩形螺旋线,然后用所需的介质片将其支撑,最后构成一个完整的矩形螺旋线慢波系统。用谐振法对矩形螺旋线慢波结构的色散特性进行了测量,测试值与理论计算值符合得很好,因此证明了理论方法的有效性。


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