论文摘要
下一代雷达、通讯、电子战等系统,对微波功率器件的性能提出了新的挑战,如要求高的峰值和平均功率、极宽的频带、低的噪声、增益和相位的一致性等。同时,先进的机栽和空间武器系统对器件体积、重量、效率、寿命、可靠性等也提出了非常严格的要求。在这样的需求背景下,微波功率模块MPM（MicrowavePower Module）是于上世纪九十年代开始出现的一种新型微波功率器件。历经十余年的发展,MPM在国外已经比较成熟,现广泛应用于雷达、电子对抗、电子诱饵、相控阵列、空间通信等军事与民用领域。被称为“超级器件”的MPM,是由高压开关电源、固态功放和小型行波管组成。小型行波管处于MPM的输出末端,是整个模块的核心和关键部件,其性能直接决定了整个模块的性能。因此,研制MPM必须首先解决小型行波管的设计与制作问题。另外,小型行波管除用于MPM外,还可单独用在雷达、电子对抗、空间通讯等装置中,达到装备小型化的目的。小型行波管除了要求体积小以外,还要求工作电压低、效率高、工作频带宽等,完全靠传统的经验设计和理论分析已基本失效,必须更多的依赖现代CAD技术进行设计和研究。本论文主要对MPM用小型行波管各组成部件,进行理论分析和CAD研究,在此基础上实际制作并实验测试。本论文的主要工作包含以下几个方面的内容:一、设计出了2～6GHz MPM用小型行波管,实测边频带输出功率超过50W,中间频带输出功率超过100W,整管尺寸小于260ram×30mm×25mm。二、小型行波管高频特性方面的研究:①使用场匹配的方法对脊头支撑脊加载螺旋慢波系统的高频特性进行了理论分析,在螺旋导电面模型和有限翼片模型的基础上,提出了在脊头区域和夹持杆区域作扇形等效的处理方法,从而使求解过程更加简洁明了,在此基础上推导了色散方程、耦合阻抗和衰减常数的计算公式;②为了能将三维通用仿真软件用来计算螺旋慢波系统的高频特性,对CSTMicrowave Studio、Ansoft HFSS、CST Mafia三种电磁仿真软件进行了二次开发,编制了能计算不同类型慢波结构高频特性的宏程序模块,这比使用图形用户界面的方法更简洁,大大方便了行波管研制人员的使用;③利用三维仿真软件,对传统的微扰法测量慢波系统耦合阻抗所引入的假设和近似进行了定量的分析和讨论,第一个提出了直接采用耦合阻抗定义法的三维模拟仿真,使其成为低成本、高精度获取慢波系统耦合阻抗的工程实用方法;④对2～6GHz小型行波管慢波电路加工公差对高频特性和输出功率的影响进行了分析计算,为生产厂家在成品率和成本之间作出折中和有效控制工艺参数提供了参考。三、小型行波管注-波互作用方面的研究:①对注-波互作用进行了非线性理论分析,在考虑高次谐波作用的情况下,从新推导了田炳耕的非线性工作方程,在考虑电流和场在电子注截面横向分布的情况下,从新推导了瓦因斯坦的空间电荷场计算公式;②同时使用分别基于一维和两维非线性解析理论的大信号软件,对行波管的注.波互作用进行了计算,在此基础上设计出了两套2～6GHz小型行波管的加工方案,并对直流工作点、截断、集中衰减等对互作用的影响进行了分析;③采用粒子模拟PIC（Particle-In-Cell）软件MAGIC,编制了螺旋线行波管2.5维PIC代码,对注.波互作用的非线性物理过程进行了粒子模拟分析,并优化了管子的最佳化运行参数;④对行波管提高电子效率技术进行了研究,通过输出段采用正.负双跳变慢波结构,将一支8～11GHz行波管的电子效率提高了十个百分点;⑤对色散成型和谐波抑制技术进行了理论分析和模拟研究,通过重加载慢波结构形成反常色散,来对谐波进行了有效抑制,将2～6GHz小型行波管低端的二次谐波改善了6dB。四、小型行波管输能接头方面的研究:①要实现输能接头的良好匹配,就必须首先要知道慢波系统的特性阻抗,首次提出了“有效网络法”的概念,从这个角度推导了脊头支撑脊加载螺旋慢波系统的特性阻抗表达式;②从网络级联矩阵出发,从带双接头的螺旋慢波系统的整体S参数仿真中,推导出了单接头的S参数矩阵;③最后对一同轴到同轴的转换,进行了优化计算,设计出了同轴转换小型接头。五、小型行波管电子光学系统方面的研究:使用基于两维非线性解析理论的大信号软件,对电子枪、周期聚焦系统和多级降压收集极进行了设计。六、行波管冷、热测试的实验工作:①选择行波法和非谐振微扰法分别作为色散和耦合阻抗的测量方法,在此基础上搭建了行波管冷测系统,对两支不同类型的慢波结构样品进行了冷测实验;②装配了2～6GHz小型行波管多支样管,进行了热测实验;③装配了8～11GHz提高电子效率的行波管样管,进行了热测实验。