U波段介質(zhì)加載回旋行波管研究.pdf

1、回旋行波管在毫米波段具有高功率、寬頻帶等特點(diǎn)，在通信及電子對(duì)抗、受控核聚變、毫米波雷達(dá)、工業(yè)加工、等離子體加熱等方面有著十分廣闊的運(yùn)用前景，近年來受到各國研究機(jī)構(gòu)的高度重視?；匦胁ü艿陌l(fā)展過程中，其輸出功率、效率和帶寬受到對(duì)電子注速度零散的敏感性以及工作模式和競(jìng)爭(zhēng)模式自激振蕩等因素影響，長(zhǎng)期以來其性能得不到提高。通過各研究機(jī)構(gòu)的不斷探索，出現(xiàn)了各種新型高頻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以克服這些因素對(duì)器件性能的影響。隨著對(duì)回旋行波管穩(wěn)定性理論的深入研究，一

2、系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了采用分布式介質(zhì)加載方案的回旋行波管能有效抑制工作模式和寄生模式的自激振蕩，即在回旋行波管內(nèi)一定長(zhǎng)度的互作用段涂敷高損耗介質(zhì)材料，抑制接近截止頻率的工作模式和寄生返波模式產(chǎn)生的絕對(duì)不穩(wěn)定性，提高輸出功率和互作用效率、展寬頻帶，使器件性能取得重大突破。
　　U波段也稱為極高頻段(Extremely High Frequency)，定義為30GHz～300GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1～10mm。與目前廣泛使用的C、Ku及正在開發(fā)使

3、用的Ka頻段相比， U波段衛(wèi)星通信可以獲得相當(dāng)寬的使用帶寬(大于3GHz)，適合高數(shù)據(jù)率、大容量的衛(wèi)星通信；采用擴(kuò)頻技術(shù)可以得到較高的處理增益；在 U波段，在波束一定情況下，天線尺寸大大減小，在衛(wèi)星上可以采用具有波束調(diào)零功能的天線和相控陣天線或者采用點(diǎn)波束來防止干擾；在 U波段，頻率高，天線口徑小，可以產(chǎn)生非常窄的波束，這種窄的波束難以阻塞，適合進(jìn)行保密性很高的軍事通信，并且具有較高的接收和發(fā)射增益；采用 U波段進(jìn)行衛(wèi)星通信，業(yè)務(wù)不擁擠

4、；國內(nèi)外使用較少，干擾較少，同時(shí)波束窄，定向性好。由于具有上述頻帶寬、干擾少、設(shè)備體積小的優(yōu)點(diǎn)，這一頻段通信容量大，可以大大提高擴(kuò)頻、跳頻等抗干擾、抗截獲措施的性能，特別適合用于軍用戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信和大容量、高數(shù)據(jù)率的衛(wèi)星通信。U波段的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為戰(zhàn)術(shù)用戶提供實(shí)時(shí)、靈活、保密、抗干擾的通信支援，因此應(yīng)及早進(jìn)行 U波段軍事衛(wèi)星通信對(duì)抗的研究，研制出相應(yīng)的設(shè)備，在未來可能發(fā)生的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，奪取電磁空間信息的優(yōu)勢(shì)。使用地面干擾站干擾

5、衛(wèi)星通信EHF上行鏈路(轉(zhuǎn)發(fā)器)時(shí)，目前大都仍然采用電真空器件來獲得U波段的大功率輸出，而回旋行波管放大器作為最具發(fā)展?jié)摿Φ母吖β饰⒉ㄔ闯蔀槭走x的器件。
　　本論文對(duì)U波段TE01模式分布式介質(zhì)加載回旋行波管注-波互作用和輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究和數(shù)值計(jì)算和模擬，為研制穩(wěn)定、高效的回旋行波管提供設(shè)計(jì)依據(jù)和計(jì)算程序。本論文的主要工作如下：
　　1．闡述了工作模式為 TEmn圓波導(dǎo)模的回旋行波管線性理論。通過求解Vlasov-

6、Maxwell方程并考慮引入介質(zhì)對(duì)色散方程的影響，對(duì)光滑波導(dǎo)小信號(hào)色散方程進(jìn)行修正，使用介質(zhì)微擾法得到介質(zhì)加載回旋行波管的色散方程。
　　2．在小信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，通過自洽求解有源的Maxwell方程與電子運(yùn)動(dòng)方程，給出了回旋行波管注-波互作用自洽非線性模擬方程，并考慮了速度零散和介質(zhì)加載對(duì)大信號(hào)自洽方程的影響。通過此方程結(jié)合回旋行波管的小信號(hào)理論，可以給出回旋行波管穩(wěn)定工作條件下最優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)，為回旋行波的輸出功率提高、帶寬展

7、寬和效率提高提供有效的分析與模擬手段。
　　3．利用線性理論對(duì)回旋行波管放大器進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。編制了小信號(hào)工作模式穩(wěn)定性分析程序，小信號(hào)返波模式穩(wěn)定性分析程序，對(duì)分布式介質(zhì)加載互作用結(jié)構(gòu)中工作和寄生模式的自激振蕩作了理論分析及數(shù)值計(jì)算。數(shù)值求解了工作模式在不同趨膚深度和介質(zhì)加載條件下的起振電流；介質(zhì)加載條件下工作和寄生模式的傳播損耗；對(duì)不同介質(zhì)加載條件和工作電流，給出了主要寄生模式的起振長(zhǎng)度；確定了介質(zhì)加載厚度以及相對(duì)介電常數(shù)。

8、對(duì)介質(zhì)加載回旋行波管互作用系統(tǒng)進(jìn)行了小信號(hào)增益分析，給出了小信號(hào)增益帶寬曲線。在綜合分析工作與寄生模式穩(wěn)定性和小信號(hào)增益的基礎(chǔ)上，確定了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的分布式介質(zhì)加載回旋行波管工作參數(shù)。
　　4．編制了自洽非線性互作用模擬軟件，對(duì)回旋行波管的大信號(hào)特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，討論了回旋行波管克服模式競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)理和有關(guān)工作點(diǎn)及物理參數(shù)的選取，并結(jié)合用三維電磁仿真軟件 Magic對(duì)分布式介質(zhì)加載互作用結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。通過理論分析和數(shù)

9、值計(jì)算，分析電子注參量、高頻輸入功率及頻率、外部磁場(chǎng)、高頻結(jié)構(gòu)等對(duì)互作用效率、輸出功率及頻帶的影響，進(jìn)行高頻系統(tǒng)的整體優(yōu)化。
　　5．利用場(chǎng)匹配方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了輸入耦合器，利用高頻模擬軟件HFSS分析了耦合器中的模式純度。比較了耦合器各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)模式純度的影響，最終設(shè)計(jì)出了高模式純度寬頻帶輸入耦合器。對(duì)回旋行波管輸出漸變段與輸出窗進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)出了與高頻結(jié)構(gòu)和收集極匹配很好的輸出漸變段和低反射系數(shù)且吸收功率很低的輸