S波段等离子体耦合腔行波管耦合结构的理论设计与测试

论文摘要

耦合结构的设计和调整是研制耦合腔行波管的重要一环。虽然高频系统的特性是决定管子工作带宽的根本,但是耦合结构的频率响应也会影响器件的整体工作频带。耦合结构作为行波管中一个关键部件,它使高频功率能无损耗的或以尽可能小的损耗(包括反射损耗和电阻性损耗)从外传输线传送到管内慢波结构上,或从管内慢波结构传输到外传输线。在这两种性能不同的传输线之间存在着电磁场转换、阻抗匹配的问题。本文以长线等效线路理论为基础,把休斯结构行波管的耦合腔转化为对应的四端口等效网络,并应用等效电路中的电压、电流波来代替慢波系统的传播特性。用等效线路的方法来分析耦合腔体固有谐振频率和耦合缝隙的谐振频率,缝隙的等效传输线阻抗。等效线路法作为一种近似分析法,可以避免计算复杂边界条件下场的问题。本文利用高频三维电磁场仿真软件CST微波工作室,设计了S波段耦合腔行波管的耦合结构,并分析计算了常用的几种耦合结构:直线渐变结构、曲线渐变结构和阶梯耦合结构的宽带匹配性能,并分别计算出了这三种结构的具体尺寸和电压驻波比。通过比较这三种结构各自的性能特点,重点对阶梯耦合结构进行优化设计,使之在满足电压驻波比的要求下,整个耦合结构的长度最短。通过对三阶耦合结构的仿真尺寸进行调整,使其既能满足耦合结构的性能要求,又能满足机械加工的精度要求。按调整后的数据加工两件三阶耦合段耦合结构,并设计了测试平台和测试方法,实测了三阶耦合结构的电压驻波比。测试结果验证了该组数据可以直接用于真空或填充等离子体的S波段耦合腔行波管的整管设计中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 等离子体微波技术
• 1.3 国外等离子体填充高功率微波器件主要实验
• 1.3.1 相对论器件
• 1.3.2 等离子体辅助慢波振荡器（PASOTRON）
• 1.3.3 等离子体填充耦合腔行波管
• 1.4 耦合结构的设计
• 1.5 国内外的研究情况
• 1.6 本文的主要工作及组织结构
• 第二章 耦合腔慢波结构特征阻抗的分析及阻抗匹配理论
• 2.1 引言
• 2.2 均匀长线的基本特性
• 2.3 无源无耗四端网络的矩阵表示
• 2.4 休斯结构的等效电路分析
• 2.4.1 耦合腔腔体的分析
• 2.4.2 耦合腔缝隙的分析
• 2.4.3 缝隙等效阻抗的计算
• 2.5 耦合结构中不均匀及其附加不连续电抗
• 2.5.1 波导截面突变产生的不连续电容
• 2.5.2 波导中的突出部分
• 2.6 达到阻抗匹配的方法
• 第三章 耦合结构的理论计算与计算机仿真
• 3.1 电磁仿真软件简介
• 3.2 耦合腔行波管的耦合结构
• 3.3 扁波导高度的确定
• 3.4 阶梯耦合结构的设计
• 3.4.1 1/4λ阻抗变换器的计算
• 3.4.2 阶梯结构理论计算结果的仿真
• 3.4.3 阶梯耦合结构的优化
• 3.5 曲线渐变结构的设计
• 3.6 直接渐变结构的设计
• 3.7 三种耦合结构的性能对比
• 第四章 耦合结构的实验测试
• 4.1 耦合结构的测试方法
• 4.1.1 测试方法概述
• 4.1.2 测试的理论分析计算
• 4.2 测试平台
• 4.2.1 耦合结构的加工
• 4.2.2 测试系统
• 4.3 测试及测试结果
• 4.3.1 耦合结构测试
• 4.3.2 测试结果
• 4.3.3 测试结果分析
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文