Ka波段毫米波行波管高频结构的研究

论文摘要

本论文结合中国科学院电子学研究所正在开展的Ka波段毫米波行波管项目，从输能装置、慢波系统的色散和耦合阻抗特性、返波振荡及计算机模拟方法等方面较为系统地研究了Ka波段毫米波行波管的高频结构及其特性，并设计了Ka波段宽带输能装置和新型反绕双螺旋线慢波系统，为毫米波行波管高频结构的研究及工程实现提供可行的方案和方法支持。论文的主要工作如下：一、Ka波段毫米波行波管宽带输能装置的分析与设计。结合工程实际，分析了该输能装置设计中因结构尺寸小而遇到的问题，接着从理论上作了初步设计，提出了同轴转脊型波导转矩形波导的方案，并用HFSS对该输能装置进行仿真分析及对参数优化，以降低带宽内的驻波系数，同时兼顾降低工艺的难度，以方便工程实现，结果在26.5-40GHz带宽内驻波系数小于1.75，实现了宽带传输。二、慢波系统高频特性的仿真研究。总结并比较了理论计算、实验和计算机模拟等主要的高频特性研究方法。对计算机模拟的谐振法、准周期边界条件法、微扰法及直接场提取法等进行比较并总结其实施方法，指出直接场提取法在空间谐波和返波振荡的研究中有着独特的优点，其计算效率和精度也优于其他方法。最后用螺旋线慢波系统和休斯型耦合腔慢波结构两个例子证明了直接场提取法的准确性。三、新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计。基于降低工艺难度的目的，本论文提出了一种正绕和反绕螺旋线半径不相等的新型反绕双螺旋线慢波系统，并仿真分析了结构参数对色散特性及耦合阻抗特性的影响。结果表明：耦合阻抗在螺旋带内半径较大时没有明显下降；减小螺旋线宽度有利于降低相速度和提高耦合阻抗；在一定范围内，相速度随螺距的减小而增大。在这基础上，为8 mm行波管设计了新型反绕双螺旋线慢波系统，达到了降低工艺难度，提高基波耦合阻抗，增强抑制返波振荡的能力，展宽带宽及降低对电子光学系统的要求等目的。四、毫米波行波管返波振荡的仿真研究。研究了Ka波段毫米波行波管的螺旋线、反绕双螺旋线、新型反绕双螺旋线及Ferruleless型耦合腔等典型慢波系统的返波振荡问题。结果表明：（1）由于夹持杆和纵向翼片加载的影响，螺旋对称性受到破坏，螺旋线慢波系统中出现非常明显的角向谐波次数和轴向谐波次数不相等的空间谐波分量；（2）螺旋线慢波系统万模对应的归一化频率（kα）较小，在π模附近，有产生返波振荡的危险；（3）反绕双螺旋线慢波系统抑制返波振荡的能力大大增强，在Ka波段基波耦合阻抗提高约54％，负一次返波阻抗减小，可以工作的归一化频率（kα）提高了约一倍，而新型反绕双螺旋线慢波系统的返波振荡抑制能力与反绕双螺旋线的基本一致；（4）为了避免返波振荡，Ferruleless型耦合腔慢波系统的工作频带的选择应远离单腔相移为π，2π的频点。五、准周期边界条件法在耦合腔结构高频特性研究中的应用。指出准周期边界条件法在耦合腔高频特性研究的应用中会出现的伪解，提出相移法和能量法对伪解进行辨别，并初步探讨了产生伪解的原因，然后提出了去除伪解的理论分析法和相移法，其中相移法具有普遍性。最后给出了休斯型耦合腔的算例作为例证。为准周期边界条件法在耦合腔高频特性研究中的应用铺平了道路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 行波管概述
• 1.1.1 行波管的作用及地位
• 1.1.2 行波管的原理及基本构成
• 1.1.3 行波管的分类
• 1.2 毫米波行波管的研究及发展现状
• 1.2.1 毫米波行波管面临的挑战
• 1.2.2 毫米波行波管国内外发展现状
• 1.2.3 毫米波行波管的发展趋势-MPM、MMPM
• 1.3 毫米波行波管高频结构的研究现状
• 1.3.1 慢波系统
• 1.3.2 输能耦合装置
• 1.4 本论文的主要工作及创新
• 1.4.1 主要工作
• 1.4.2 创新点
• 1.5 整个学位论文的组织
• 参考文献
• 第二章 Ka波段毫米波行波管宽带输能装置的分析与设计
• 2.1 设计方案
• 2.2 概念设计
• 2.3 计算机仿真设计及优化
• 2.4 结果与讨论
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 慢波系统高频特性的仿真研究
• 3.1 高频特性研究方法
• 3.1.1 理论计算
• 3.1.2 实验研究
• 3.1.3 计算机模拟
• 3.2 计算机模拟研究方法
• 3.2.1 谐振法
• 3.2.2 准周期边界条件法
• 3.2.3 微扰法
• 3.2.4 直接场提取法
• 3.3 典型慢波系统高频特性
• 3.3.1 螺旋线慢波系统
• 3.3.2 休斯型耦合腔慢波结构
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计
• 4.1 理论分析
• 4.2 新型反绕双螺旋线慢波系统方案
• 4.3 模拟分析
• 4.3.1 螺距对色散特性及耦合阻抗特性的影响
• 4.3.2 螺旋带内半径对色散特性及耦合阻抗特性的影响
• 4.3.3 螺旋带宽度对色散特性及耦合阻抗特性的影响
• 4.3.4 螺旋带厚度对色散特性及耦合阻抗特性的影响
• 4.3.5 纵向翼片加载对色散特性及耦合阻抗特性的影响
• 4.4 8 mm行波管新型反绕双螺旋线慢波系统的设计
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 毫米波行波管返波振荡的仿真研究
• 5.1 理论分析
• 5.1.1 场方程
• 5.1.2 返波振荡
• 5.2 模拟分析
• 5.3 仿真结果及分析
• 5.3.1 螺旋线慢波系统
• 5.3.2 反绕双螺旋线慢波系统
• 5.3.3 新型反绕双螺旋线慢波系统
• 5.3.4 Ferruleles S型耦合腔结构
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 准周期边界条件法在耦合腔结构高频特性研究中的应用
• 6.1 存在问题
• 6.2 伪解的辨别
• 6.2.1 相移法
• 6.2.2 能量法
• 6.3 伪解的去除
• 6.4 应用算例
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 结束语
• 7.1 总结
• 7.2 存在问题及展望
• 攻读硕士学位期间论文发表情况
• 致谢