同軸交錯圓盤加載波導及其應用研究.pdf

1、具有高功率、寬頻帶和高效率的毫米波輻射源在高速通信、雷達以及電子對抗等領域都有廣泛的應用。行波管作為一類重要的毫米波器件由于其具有高功率容量，寬頻帶等特點在毫米波輻射源中有著重要的應用。傳統的螺旋線行波管雖然有著寬的帶寬，但因其慢波結構具有相對較低的功率容量而限制了它的發(fā)展。不僅如此，隨著頻率的升高，螺旋線的加工也變得困難。最近幾十年全金屬慢波結構得到了廣泛的發(fā)展，越來越多的學者對其展開了研究，這主要是因為全金屬慢波結構具有尺寸大、熱耗

2、散能力強、整體性能好等優(yōu)點，其中圓盤加載波導就是一種重要的全金屬慢波結構。本文在圓盤加載波導的基礎上，對同軸交錯圓盤加載波導及其改進形式進行了研究，研究表明這類慢波結構在毫米波多注行波管中有著較好的發(fā)展前景。
　　本論文主要是從高頻特性、電磁波傳輸特性、注波互作用特性三個方面對同軸交錯圓盤加載波導進行了深入的研究，并指出了可以將其應用于毫米波多電子注行波管的設計。論文的主要工作成果為：
　　一、在考慮加載圓盤厚度的情況下，首

3、次采用多導體傳輸線分析方法對同軸交錯圓盤加載波導進行了理論分析，推導出了其色散方程。通過數值計算的方法對色散方程進行了求解，其計算結果與通過計算機電磁仿真得的結果一致。通過計算結果可以看出，選擇合適的參數可以使慢波結構得到較寬的帶寬。理論分析結果為后面的應用研究奠定了基礎，并提供了有效的模型參數。
　　二、對同軸交錯圓盤加載波導的高頻特性展開了研究，利用ANSOFT HFSS對同軸交錯圓盤加載波導進行了建模分析，研究表明：同軸交錯

4、圓盤加載波導的內徑ra和單位周期長度L對慢波結構高頻特性的影響要大于其它的結構參數。減小內徑ra可以顯著提高慢波結構的耦合阻抗，減小單位周期長度L可以顯著降低慢波結構相速。
　　三、為了提高同軸交錯圓盤加載波導的高頻特性，提出了兩類脊加載結構：圓盤邊緣脊加載結構和圓盤中間脊加載結構。圓盤邊緣脊加載結構可以顯著降低慢波結構的相速，用作行波管時可以降低工作電壓。從論文的研究可以看出在采用了邊緣脊加載結構后，在耦合阻抗變化很小的情況下，

5、慢波結構的歸一化相速從0.29降到了0.24，下降了17.2％。圓盤中間脊加載結構在整個頻帶內可以明顯提高同軸交錯圓盤加載波導的耦合阻抗，用作行波管時可以提高注-波互作用的效率。同時，論文還對幾種周期圓盤加載波導結構的高頻特性進行了比較，研究表明，采用同軸交錯圓盤加載方式不僅可以減弱色散，而且對降低慢波結構的相速也有積極的作用。
　　四、提出了具有400W峰值功率水平的 V波段八電子注同軸交錯圓盤加載波導行波管的設計方案，并利用C

6、ST PIC-Solver軟件建立了同軸交錯圓盤加載波導的多電子注行波管三維注-波互作用物理模型，對其非線性互作用情況進行了模擬分析。研究結果表明：在所設計的輸入輸出結構下，慢波結構的反射系數S11小于-25dB。在11.2kV電壓和120mA電流下，提出的設計在44.5GHz-46.5GHz的頻帶范圍內具有30dB以上的增益，最大輸出功率達到462W，電子效率達到了4.3%，最大增益達到31.1dB。因此，在研制毫米波多電子注行波管方