MPM用小型行波管CAD研究.pdf

1、下一代雷達(dá)、通訊、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)，對(duì)微波功率器件的性能提出了新的挑戰(zhàn)，如要求高的峰值和平均功率、極寬的頻帶、低的噪聲、增益和相位的一致性等。同時(shí)，先進(jìn)的機(jī)栽和空間武器系統(tǒng)對(duì)器件體積、重量、效率、壽命、可靠性等也提出了非常嚴(yán)格的要求。在這樣的需求背景下，微波功率模塊MPM(Microwave Power Module)是于上世紀(jì)九十年代開始出現(xiàn)的一種新型微波功率器件。歷經(jīng)十余年的發(fā)展，MPM在國(guó)外已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、電

2、子誘餌、相控陣列、空間通信等軍事與民用領(lǐng)域。 被稱為“超級(jí)器件”的MPM，是由高壓開關(guān)電源、固態(tài)功放和小型行波管組成。小型行波管處于MPM的輸出末端，是整個(gè)模塊的核心和關(guān)鍵部件，其性能直接決定了整個(gè)模塊的性能。因此，研制MPM必須首先解決小型行波管的設(shè)計(jì)與制作問題。另外，小型行波管除用于MPM外，還可單獨(dú)用在雷達(dá)、電子對(duì)抗、空間通訊等裝置中，達(dá)到裝備小型化的目的。小型行波管除了要求體積小以外，還要求工作電壓低、效率高、工作頻帶寬

3、等，完全靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析已基本失效，必須更多的依賴現(xiàn)代CAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。 本論文主要對(duì)MPM用小型行波管各組成部件，進(jìn)行理論分析和CAD研究，在此基礎(chǔ)上實(shí)際制作并實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本論文的主要工作包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 一、設(shè)計(jì)出了2～6GHzMPM用小型行波管，實(shí)測(cè)邊頻帶輸出功率超過50W，中間頻帶輸出功率超過100W，整管尺寸小于260mm×30mm×25mm。 二、小型行波管高頻特性方面的研究：

4、①使用場(chǎng)匹配的方法對(duì)脊頭支撐脊加載螺旋慢波系統(tǒng)的高頻特性進(jìn)行了理論分析，在螺旋導(dǎo)電面模型和有限翼片模型的基礎(chǔ)上，提出了在脊頭區(qū)域和夾持桿區(qū)域作扇形等效的處理方法，從而使求解過程更加簡(jiǎn)潔明了，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了色散方程、耦合阻抗和衰減常數(shù)的計(jì)算公式；②為了能將三維通用仿真軟件用來計(jì)算螺旋慢波系統(tǒng)的高頻特性，對(duì)CST Microwave Studio、Ansoft HFSS、CST Mafia三種電磁仿真軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，編制了能計(jì)算不同類

5、型慢波結(jié)構(gòu)高頻特性的宏程序模塊，這比使用圖形用戶界面的方法更簡(jiǎn)潔，大大方便了行波管研制人員的使用；③利用三維仿真軟件，對(duì)傳統(tǒng)的微擾法測(cè)量慢波系統(tǒng)耦合阻抗所引入的假設(shè)和近似進(jìn)行了定量的分析和討論，第一個(gè)提出了直接采用耦合阻抗定義法的三維模擬仿真，使其成為低成本、高精度獲取慢波系統(tǒng)耦合阻抗的工程實(shí)用方法；④對(duì)2～6GHz小型行波管慢波電路加工公差對(duì)高頻特性和輸出功率的影響進(jìn)行了分析計(jì)算，為生產(chǎn)廠家在成品率和成本之間作出折中和有效控制工藝參數(shù)

6、提供了參考。 三、小型行波管注-波互作用方面的研究：①對(duì)注-波互作用進(jìn)行了非線性理論分析，在考慮高次諧波作用的情況下，從新推導(dǎo)了田炳耕的非線性工作方程，在考慮電流和場(chǎng)在電子注截面橫向分布的情況下，從新推導(dǎo)了瓦因斯坦的空間電荷場(chǎng)計(jì)算公式：②同時(shí)使用分別基于一維和兩維非線性解析理論的大信號(hào)軟件，對(duì)行波管的注-波互作用進(jìn)行了計(jì)算，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了兩套2～6GHz小型行波管的加工方案，并對(duì)直流工作點(diǎn)、截?cái)?、集中衰減等對(duì)互作用的影響進(jìn)行

7、了分析；③采用粒子模擬PIC(Particle-In-Cell)軟件MAGIC，編制了螺旋線行波管2.5維PIC代碼，對(duì)注-波互作用的非線性物理過程進(jìn)行了粒子模擬分析，并優(yōu)化了管子的最佳化運(yùn)行參數(shù)；④對(duì)行波管提高電子效率技術(shù)進(jìn)行了研究，通過輸出段采用正-負(fù)雙跳變慢波結(jié)構(gòu)，將一支8～11GHz行波管的電子效率提高了十個(gè)百分點(diǎn)；⑤對(duì)色散成型和諧波抑制技術(shù)進(jìn)行了理論分析和模擬研究，通過重加載慢波結(jié)構(gòu)形成反常色散，來對(duì)諧波進(jìn)行了有效抑制，將2～

8、6GHz小型行波管低端的二次諧波改善了6dB。 四、小型行波管輸能接頭方面的研究：①要實(shí)現(xiàn)輸能接頭的良好匹配，就必須首先要知道慢波系統(tǒng)的特性阻抗，首次提出了“有效網(wǎng)絡(luò)法”的概念，從這個(gè)角度推導(dǎo)了脊頭支撐脊加載螺旋慢波系統(tǒng)的特性阻抗表達(dá)式；②從網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)矩陣出發(fā)，從帶雙接頭的螺旋慢波系統(tǒng)的整體S參數(shù)仿真中，推導(dǎo)出了單接頭的S參數(shù)矩陣；③最后對(duì)一同軸到同軸的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，設(shè)計(jì)出了同軸轉(zhuǎn)換小型接頭。 五、小型行波管電子光