【摘要】：行波管是一種廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的真空電子器件,特別是在衛(wèi)星,導(dǎo)彈,雷達(dá),電子對(duì)抗等領(lǐng)域。行波管慢波結(jié)構(gòu)的慢波特性的優(yōu)劣對(duì)其器件的潛在工作性能起著決定性的作用,目前,對(duì)行波管慢波結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)成為提升器件性能的主要途徑。電子科技大學(xué)大功率微波電真空器件國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過大量的研究后,在2010年提出了一種新型的正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。研究表明,其具有優(yōu)良的射頻傳輸特性,同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工等特點(diǎn),是一種極具潛力的新型慢波結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高其縱向電場(chǎng)強(qiáng)度及耦合阻抗,2012年,本課題組提出了一種新型平頂型正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。為充分挖掘平頂型正弦波導(dǎo)的潛力,同時(shí)為后期實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)的解決方案,本文對(duì)W波段平頂型正弦波導(dǎo)行波管的關(guān)鍵部件進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作。具體研究工作如下:1.在HFSS和CST軟件中建立慢波結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算模型,并對(duì)其色散特性及耦合阻抗特性進(jìn)行了計(jì)算分析。完成了與常規(guī)正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散和耦合阻抗特性的對(duì)比分析工作。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),在W波段內(nèi)及相同的工作電壓下,平頂型正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)比正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)具有更高的耦合阻抗。2.提出了一種可用于W波段大功率行波管的兩段式高頻電磁系統(tǒng),并完成了輸入輸出結(jié)構(gòu)和集中衰減器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后,在90-100GHz頻段內(nèi),高頻電磁系統(tǒng)的反射參量S_(11)低于-17dB,S_(21)小于-45dB,說明系統(tǒng)具有較小的反射,滿足設(shè)計(jì)要求。3.利用CST軟件的粒子工作室完成了對(duì)W波段平頂型正弦波導(dǎo)行波管的注-波互作用的計(jì)算工作。計(jì)算結(jié)果表明,在90-98GHz頻帶內(nèi),其輸出功率大于195W,在94GHz典型頻點(diǎn)處的輸出功率達(dá)到242W,對(duì)應(yīng)的增益為33.9dB。同時(shí),完成了與W波段常規(guī)正弦波導(dǎo)行波管的注-波互作用對(duì)比分析工作。對(duì)比分析表明,相同電氣參數(shù)設(shè)置及相同的最優(yōu)工作電壓下,平頂型正弦波導(dǎo)行波管的輸出功率較常規(guī)正弦波導(dǎo)行波管提高了約16.8%。4.對(duì)工作電壓為21kV的平頂型正弦波導(dǎo)行波管互作用方案進(jìn)行了優(yōu)化。在降低工作電壓的情況下,提出了在最大輸出功率、大功率輸出帶寬、增益、3dB帶寬等主要性能參數(shù)上各具特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)的三種優(yōu)化方案;
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN124
【圖文】：

頻段和中小功率的等場(chǎng)景需求下具有廣泛應(yīng)用[17]。但是在抗電磁干擾和大功率輸出上卻存在明顯的局限性。隨著對(duì)輻射源要求的不斷提高，固態(tài)源已不能滿足在某些高功率輸出、高頻率及強(qiáng)抗干擾性的高要求應(yīng)用場(chǎng)景，如在防空反導(dǎo)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、大功率衛(wèi)星上通信等領(lǐng)域上對(duì)輻射源的大功率輸出及強(qiáng)抗干擾性的要求等，因此發(fā)展毫米波電真空器件的重要性顯得不言而喻。電真空器件產(chǎn)品極為豐富，如真空二極管、三極管、行波管（Traveling WaveTube， TWT）、返波管（Backward Wave Tube， BWT）、回旋管（Gyrotron）、速調(diào)管（Klystron）、磁控管（Magnetron）、自由電子激光器（Free electron laser）等[17-28]。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，如精細(xì)加工技術(shù)、電腦仿真技術(shù)等，電真空器件的研究有了一個(gè)跨越式的發(fā)展，同時(shí)電真空器件的廣泛應(yīng)用也在不斷地影響和改變我們的生活，為國(guó)防和通信事業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。在電真空器件系列產(chǎn)品中，行波管是一種具有工作帶寬寬、工作頻率高、輸出功率大、抗強(qiáng)電磁干擾等特點(diǎn)的重要輻射源[29]，在機(jī)載火控雷達(dá)、電子對(duì)抗、制導(dǎo)、成像、防空反導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用量占到了整個(gè)電子空器件應(yīng)用的一半左右。圖 1-1 為行波管的結(jié)構(gòu)示意圖。

(e) (f)圖 1-2 典型慢波結(jié)構(gòu)。(a)曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)；(b)半周期矩形交錯(cuò)慢波結(jié)構(gòu)；(c)矩形雙波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)；(d)正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)；(e)平頂型正弦波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)；(f)矩形螺旋線慢波除了對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的研究外，由于尺寸共渡效應(yīng)，工作在高頻段的行波管意具有較小的結(jié)構(gòu)尺寸，因此對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的加工對(duì)其器件的工作性能產(chǎn)生著較影響。因此在加工工藝方面的提高也是提高行波管性能的一條有效的途徑。調(diào)研得知，現(xiàn)在主流的幾種慢波結(jié)構(gòu)加工技術(shù)有：電火花加工、深反應(yīng)離子和光刻、電鑄、微成型以及最近較為熱門的 3D 打印等技術(shù)手段，3D 打印技方面可以打印較傳統(tǒng)加工工藝加工難度大的模型，且加工時(shí)間短；另一方面于 3D 打印技術(shù)在打印材料及精度方面還存在著一定的局限性，3D 打印尚不足一些對(duì)材料和精度要求高的慢波結(jié)構(gòu)的打印需求。因此，對(duì)于加工工藝的和進(jìn)步對(duì)于提高行波管的整體工作性能將有著重要的意義。

圖 1-3 94GHz 行波管樣品圖[32] Thales 的公司在該管的基礎(chǔ)上改進(jìn)形成了 TH4402 管型[33]，工95GHz，兩種工作模式的飽和峰值功率輸出分別為 100W 和 1500MHz，占空比最大為 20%和 10%，總效率為 15%[27]。的L-3電子器件公司在2010年報(bào)道了一款采用折疊波導(dǎo)慢波結(jié)功率行波管，其設(shè)計(jì)的峰值功率為 250W，平均功率為 100W，在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在 90.6GHz 和 91.4GHz 處分別實(shí)現(xiàn)了 300W率輸出，3dB 的瞬時(shí)帶寬[34]。內(nèi)方面，中國(guó)電科 12 所、電子科技大學(xué)等單位對(duì) W 波段行波究，并取得了一系列的成果[35-39]。北京真空電子技術(shù)研究所大件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于 2007 年報(bào)道了一款基于折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[40]。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在 2GHz 帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn) 10W 的連續(xù)續(xù)研究中，該管實(shí)現(xiàn)了在所需的頻段內(nèi) 10W 以上的連續(xù)波功率及相關(guān)的測(cè)試結(jié)果如圖 1-4 和 1-5 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2747584