等離子體填充S波段耦合腔行波管大信號分析.pdf

1、行波管是一種高增益、寬頻帶、高效率、大功率的微波功率放大器件，廣泛應用于通信、雷達、電子對抗等現(xiàn)代軍事電子裝備中。研究表明，在微波器件中填充背景等離子體后，其性能將得到顯著改善。在同樣的輸入條件下，帶寬、互作用效率、功率和增益都有顯著增加，并且可以降低或省去外部聚焦磁場。 本文對一只等離子體填充的S波段耦合腔行波管注-波互作用大信號特性進行了分析討論。 一、討論了等離子體-腔混合模的形成以及“冷”帶寬和“熱”帶寬的展寬效

2、應。在等離子體填充的耦合腔行波管中，當填充的等離子體密度達到或超過一定值后，腔模和周期不均勻波導的等離子體模相互重疊而耦合出等離子體-腔混合模式。工作在等離子體-腔混合模式下的耦合腔行波管，工作特性大大優(yōu)于真空時的情況，且可以調整某一電子注參量，使其空間電荷波的曲線與某一混合模式的相切部分變大，而不僅僅是相交于一點，因而大大改善了其熱帶寬效應；同時工作于混合模式時，其耦合阻抗比真空時提高了3～5倍，因此在填充等離子體后，耦合腔鏈的慢波特

3、性得到了顯著的改善。 二、用模式展開的方法分析了等離子體-腔混合模耦合腔行波管的非線性注-波互作用過程，導出了其考慮相對論效應的非線性注-波互作用的自洽工作方程組。包括：激發(fā)方程、運動方程、電子流復振幅方程。此方程組即為研究注波互作用非線性特性的基本方程組。 三、用分離變量法推導了真空和磁化等離子體填充盤荷波導的空間電荷場的靜電位方程，并借鑒田炳耕的荷電圓盤模型，用格林函數(shù)法求解出空間電荷場。由于等離子體各向異性的性質，

4、它滿足普遍的靜電位方程，文中給出了此普遍靜電位方程的詳細解法。研究發(fā)現(xiàn)電子通道填充背景等離子體后，其空間電荷場與真空中有本質差別，真空中的空間電荷場呈指數(shù)衰減趨勢，而填充背景等離子體的空間電荷場具有相反的結果。 四、四采用四階Runge-Kutta算法，用MATLAB編程實現(xiàn)了其大信號特性的仿真。在填充等離子體后效率達到35％以上，比真空中耦合腔行波管的效率有很大的提高。同時比較分析了真空中和等離子體填充時空間電荷場對飽和位置、

5、效率、功率、增益的影響。發(fā)現(xiàn)等離子體填充時考慮了空間電荷場時效率增加而且飽和位置提前；而在真空中考慮空間電荷場比不考慮空間電荷場時的飽和位置推后，飽和值下降。兩個現(xiàn)象正好相反是一個本質差別。最后分析了輸入功率和等離子體密度對注-波互作用大信號特性的影響。結果表明，輸入功率對輸出功率的影響不大而等離子體密度增加則效率增加，但到一定值后再繼續(xù)增加密度輸出效率反而降低。這是因為隨著ωp增加，2階混合模式和3階混合模式重疊的頻率范圍逐漸加大，穩(wěn)