矩形波导栅行波放大器的研究

论文摘要

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、S11参数以及色散曲线，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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 行波管的发展简介
• 1.2 毫米波行波管的国内外研究进展
• 1.3 带状束矩形波导栅毫米波行波管的研究进展
• 1.4 本论文的主要工作与创新
• 第二章 双矩形波导栅慢波结构的研究
• 2.1 引言
• 2.2 双矩形波导栅慢波结构的电磁波传播理论
• 2.2.1 色散方程
• 2.2.2 耦合阻抗
• 2.2.3 数值计算
• 2.3 趋肤损耗分析
• 2.4 双矩形波导栅行波管的线性理论
• 2.4.1 “热”色散方程
• 2.4.2 数值计算与粒子模拟分析
• 2.5 小结
• 第三章 脊、阶梯加载矩形波导栅慢波结构的研究
• 3.1 引言
• 3.2 脊、阶梯加载矩形波导栅慢波系统的电磁波传播理论
• 3.2.1 色散方程推导
• 3.2.2 功率流和耦合阻抗
• 3.3 脊加载矩形波导栅慢波结构的数值分析
• 3.3.1 脊的效应
• 3.3.2 脊加载下，其它结构尺寸对电磁波传输的影响
• 3.4 阶梯加载矩形波导栅慢波结构的数值分析
• 3.4.1 阶梯的效应
• 3.4.2 阶梯加载下，其它结构尺寸对电磁波传输的影响
• 3.5 小结
• 第四章 介质加载矩形波导栅慢波结构的研究
• 4.1 引言
• 4.2 介质加载矩形波导栅慢波系统的电磁波传播理论
• 4.2.1 场分布及其边界条件
• 4.2.2 色散方程
• 4.2.3 功率流及耦合阻抗
• 4.2.4 介质参数对结构高频特性的影响
• 4.3 介质加载矩形波导栅行波管的线性理论分析
• 4.3.1 “热”色散方程
• 4.3.2 介质加载矩形波导栅行波管小信号分析
• 4.4 小结
• 第五章 任意槽矩形波导栅慢波结构的研究
• 5.1 引言
• 5.2 物理模型
• 5.2.1 任意形状槽边界的近似处理
• 5.2.2 槽区内场的表达式
• 5.2.3 槽内导纳的递推关系
• 5.3 普遍的色散方程
• 5.3.1 任意形状槽矩形波导栅慢波结构的色散方程
• 5.3.2 理论和实验上的验证
• 5.4 耦合阻抗
• 5.5 高频特性的计算与讨论
• 5.6 任意槽矩形波导栅行波管的线性理论
• 5.6.1 “热”色散方程
• 5.6.2 数值计算结果
• 5.7 小结
• 第六章 矩形波导栅慢波系统的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验装置及其测量方法
• 6.2.1 模型的设计和加工
• 6.2.2 测量方法及原理
• 6.2.3 测试系统
• 6.3 实验结果与分析
• 6.4 小结
• 第七章 内开槽矩形波导栅慢波结构的研究
• 7.1 引言
• 7.2 模拟软件简介
• 7.3 模拟方法
• 7.3.1 色散特性
• 7.3.2 耦合阻抗
• 7.4 模拟结果与讨论
• 7.4.1 数值计算
• 7.4.2 结果分析
• 7.5 小结
• 第八章 多排栅慢波结构的研究──光子晶体
• 8.1 引言
• 8.2 多排栅慢波结构的电磁特性
• 8.2.1 平面波展开法理论
• 8.2.2 数值计算与分析
• 8.3 小结
• 第九章 介质加载矩形波导慢波结构的研究
• 9.1 引言
• 9.2 介质加载矩形波导慢波结构的场分析
• 9.2.1 色散方程与场分布
• 9.2.2 特性参量
• 9.2.3 场特性讨论及其数值计算
• 9.2.4 电子束传输通过慢波结构时激励的电磁场的计算
• 9.3 介质加载矩形波导慢波结构的Dipole模式分析
• 9.3.1 Diploe模式分析
• 9.3.2 横向力的数值计算
• 9.4 带状电子束激励电磁功率的计算方法
• 9.5 7.8GHz功率源的设计
• 9.6 带状电子束在介质加载矩形波导中传输的数值模拟
• 9.7 实验研究
• 9.8 小结
• 第十章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果
• 附图