用于Ku波段回旋行波管的耦合输出渐变段的研究

论文摘要

回旋行波管放大器以其高功率、宽带宽等显著的特点,成为最有发展潜力和应用前景的毫米波相干辐射源之一,在高功率毫米波雷达、通讯、精确制导、材料处理和高能粒子加速器等领域有着广泛的应用,在国际上受到极大关注。我国Ku波段和毫米波段远程雷达的发展与国外差距很大,主要是没有合适的大功率微波源。选择回旋行波管作为Ku波段超远程雷达发射机的功率源,是一条既可行,又有很大发展潜力的路子。回旋管是一种快波器件,在高工作频率的情况下具有很高的功率容量。回旋行波管中高频结构因其尺寸和频段的特殊性,在设计上有别于其他的高频传输系统。本文依据目前回旋行波放大器的发展需求和现状,对Ku波段回旋行波管的渐变耦合输出段进行了理论分析和综合设计。渐变输出波导往往被用于互作用段和一个更大半径的输出波导之间的传输。这样的渐变段要求具有良好的传输和杂模抑制功能,同时长度要尽可能短。考虑到这些因素,通常回旋行波管放大器的输出部分是一个口径逐渐变大的渐变传输波导,既能抑制杂模产生,又能保证阻抗不突变。对于回旋行波管的渐变波导,设计上主要有以下难点:1)、在波导的输入端,主模微高于截止,所以必须把输入反射和前向及反向散射模式计入考虑;2)互作用区和输出窗的半径比a2/a1较大,导致大量杂模产生;3)、回旋行波管中,TEmm模不仅和TEmp模产生耦合,还将激励TMmp模。本文首先系统的分析了过模波导渐变器中传播模式间的耦合情况,推导了不规则渐变圆波导的耦合波方程和主模为TE11时的三模耦合方程,分析了目前对渐变圆波导的轮廓分析和综合设计法;针对Ku波段的回旋行波管放大器输出段的具体情况,推导了近截止渐变波导的耦合波方程,给出了耦合系数,介绍了喇叭过渡器的分段设计法;最后,把喇叭过渡器的设计方法用于近截止波导,分别针对前端反射和模式变换来进行设计。其中主要设计了三段级联的Parabolic型渐变波导和两段级联的修正Dolph-Chebyshev渐变波导,分别讨论了各方案的特点,用Matlab对两种渐变波导进行了数值分析,确定了渐变形状和渐变长度,高频仿真软件HFSS的仿真结果表明,对于近截止波导的分段设计能较好的保证渐变段的传输性能,同时,也再次证明了修正Dolph-Chebyshev渐变波导在渐变长度上的优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 回旋管器件的发展概况
• 1.1.1 回旋管器件的简介
• 1.1.2 回旋行波放大器的发展及现状
• 1.1.3 Ku波段回旋行波放大器
• 1.2 渐变耦合输出段的研究现状和背景
• 1.2.1 渐变耦合输出段的设计要求和难点
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 Ansoft HFSS高频结构模拟软件简介
• 1.4 论文的主要工作及意义
• 第二章 不规则圆波导的耦合波方程
• 2.1 耦合波方程组
• 2.2 耦合波方程的收敛性
• 11的三模作用的耦合波方程组'>2.3 主模为TE₁₁的三模作用的耦合波方程组
• 第三章 渐变波导的轮廓分析和综合设计
• 3.1 渐变器的轮廓分析
• 3.1.1 从广义电报方程的积分进行数值分析
• 3.1.2 利用模式场展开散射矩阵对渐变器进行分析
• 3.2 渐变形状的综合设计
• 3.2.1 傅立叶级数分布
• 3.2.2 Dolph-Chebyshev分布
• 3.2.3 修正Dolph-Chebyshev分布
• 3.2.4 考虑模式再变换和输入反射的近最优模式转换分布
• 第四章 近截止渐变波导的设计
• 4.1 近截止波导的耦合波方程
• 4.2 喇叭过渡器
• 4.2.1 过渡段-喇叭-过渡段
• 4.2.2 本地喇叭简正模的耦合波方程
• 第五章 Ku波段回旋行波管的耦合输出渐变段的仿真结果及讨论
• 5.1 线性渐变波导
• 5.2 Parabolic型波导
• 5.2.1 Parabolic型波导的理论分析
• 5.2.2 三段级联Parabolic型波导
• 5.3 修正Dolph-Chebyshev渐变波导
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果