【摘要】：毫米波頻段回旋器件的輸出功率和增益與常規(guī)線性注真空電子器件相比具有明顯的優(yōu)勢(shì),其中回旋行波管由于兼具高功率和寬頻帶特性,在高分辨雷達(dá)、電子對(duì)抗、高速通信系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)等軍用和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大需求。從上世紀(jì)末分布式高頻電路被提出并獲得巨大成功以來(lái),國(guó)內(nèi)外很多單位基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行微波毫米波段回旋行波管研制,目前Ka等頻段回旋行波管已開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室并踏上了實(shí)用化道路,然而W及以上頻段(短毫米波段)回旋行波管相對(duì)于低頻段回旋行波管的發(fā)展相對(duì)滯后,究其原因主要有:受尺寸共度效應(yīng)限制,管子在進(jìn)入短毫米波段后高頻電路尺寸過(guò)小,平均功率容量受限、電子注截獲問(wèn)題加劇;高頻率工作時(shí),諸如表面粗糙度大、微小的加工和裝配公差等因素都可能導(dǎo)致管子性能急劇下降。以上因素限制了短毫米波段回旋行波管性能的發(fā)揮。此時(shí),采用更高階模式工作是一種有效的解決方案。高階模工作可以有效增大高頻電路尺寸,從而提升平均功率容量、增大電子注通道并降低加工和裝配要求。然而,當(dāng)回旋行波管工作在高階模式時(shí),電子注色散曲線必然與低階模式相交于負(fù)傳播常數(shù)區(qū)域,來(lái)自低階模式的返波振蕩將會(huì)成為回旋行波管的主要不穩(wěn)定因素之一。為了緩解高階模式工作引起的模式競(jìng)爭(zhēng)和寄生振蕩問(wèn)題,美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)先后提出了共焦波導(dǎo)和光子晶體帶隙兩種新型的高頻電路,由于輻射損耗特性,這兩種結(jié)構(gòu)具有天然的模式選擇特性,能有效降低高頻電路中的模式密度,這緩解了高階模式穩(wěn)定工作的難度。其中光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)受工藝難度、高頻電路散熱等限制,目前尚缺乏基礎(chǔ)。本論文集中開(kāi)展了共焦波導(dǎo)回旋行波管理論研究和設(shè)計(jì)工作,為下一步實(shí)現(xiàn)高功率高頻率共焦波導(dǎo)回旋行波管的工程化和產(chǎn)品化奠定基礎(chǔ)。對(duì)于工作在W波段的回旋行波管,HE_(04)模式共焦波導(dǎo)高頻電路的功率容量約為TE_(01)模式圓波導(dǎo)高頻電路的四倍,對(duì)應(yīng)的電子注通道尺寸約為兩倍關(guān)系。盡管共焦波導(dǎo)具有模式選擇特性,能衰減掉m0的HE_(mn)模式,但是HE_(0n)模式仍是可能出現(xiàn)的振蕩模式,設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)考慮。從MIT在2003年首次報(bào)道了共焦波導(dǎo)回旋行波管的樣管測(cè)試結(jié)果開(kāi)始,經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外各單位近15年的研究,這種新型高頻電路的功率、增益等輸出指標(biāo)卻遠(yuǎn)未達(dá)到常規(guī)封閉波導(dǎo)高頻電路的輸出性能,完全沒(méi)有發(fā)揮出回旋行波管的寬帶、高功率、高增益等優(yōu)勢(shì)�？梢�(jiàn),該結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用上仍存在諸多不穩(wěn)定性因素(包括返波模式振蕩和工作模式自激振蕩)以及限制該結(jié)構(gòu)輸出功率和帶寬等性能發(fā)揮的因素(如輸入耦合器效率和帶寬性能)。本文集中研究了共焦波導(dǎo)高頻電路,開(kāi)發(fā)了一套功能完善的共焦波導(dǎo)回旋行波管設(shè)計(jì)軟件;同時(shí),充分挖掘和分析了各單位前期的樣管試驗(yàn)結(jié)果,針對(duì)性地解決了其中的一些限制管子性能發(fā)揮和影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題。具體內(nèi)容如下:1.開(kāi)發(fā)了一種高效高精度的通用共焦波導(dǎo)衍射損耗計(jì)算方法,尤其適用于大損耗情況下的衍射損耗計(jì)算,解決了現(xiàn)存方法在研究不同鏡寬共焦波導(dǎo)損耗特性時(shí)適應(yīng)范圍窄的問(wèn)題。2.研制了一種寬頻帶高效率共焦波導(dǎo)輸入耦合器,其測(cè)試性能遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報(bào)道的最高水平,解決了MIT在研制過(guò)程中遇到的輸入系統(tǒng)插損過(guò)大導(dǎo)致管子無(wú)法驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài),以及帶寬受限無(wú)法發(fā)揮高頻電路寬帶特性的難題。另外還研制了兩種用于高頻電路測(cè)試的新型寬帶共焦波導(dǎo)模式激勵(lì)器,其中磁耦合結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果與仿真吻合良好,且其帶寬、轉(zhuǎn)化效率、帶內(nèi)平坦度等指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的最高水平。3.發(fā)現(xiàn)了共焦波導(dǎo)中特有的衍射反饋機(jī)制,該機(jī)制會(huì)引起共焦波導(dǎo)高頻電路總損耗降低,導(dǎo)致穩(wěn)定性降低,這極有可能是MIT等單位前期研制中遇到的管子穩(wěn)定性不佳的重要原因。設(shè)計(jì)了仿真模型對(duì)該機(jī)制進(jìn)行了解釋和驗(yàn)證,最后利用所研制的磁耦合模式變換器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。4.詳細(xì)推導(dǎo)了共焦波導(dǎo)高頻電路中的結(jié)構(gòu)因子、規(guī)范因子和注-波耦合系數(shù),導(dǎo)出了共焦波導(dǎo)回旋行波管的動(dòng)力學(xué)理論與非線性理論,兩種理論的數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合良好。5.基于上述理論開(kāi)發(fā)了功能完善的共焦波導(dǎo)回旋行波管設(shè)計(jì)軟件。主要功能包括:色散特性分析、通用衍射損耗計(jì)算,分布式高頻電路在任意磁場(chǎng)分布下的放大特性分析,以及均勻高頻電路主要振蕩模式的起振閾值分析等。最后給出了W頻段非均勻分布損耗共焦波導(dǎo)回旋行波管的理論設(shè)計(jì)實(shí)例和PIC模擬驗(yàn)證結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN124
【圖文】：

圖 1-1 不同回旋器件高頻電路以及對(duì)應(yīng)的常規(guī)線性注器件一覽表[16]由于高分辨率毫米波雷達(dá)和電子對(duì)抗系統(tǒng)等領(lǐng)域的特殊需求，回旋放大要包括回旋速調(diào)管、回旋行波管和回旋行波速調(diào)管）得到了快速發(fā)展。速調(diào)管采用多腔體結(jié)構(gòu)，具有較好的穩(wěn)定性和較高的功率容量，同時(shí)擁

圖 1-2 回旋行波管發(fā)展歷程第二個(gè)階段從二十世紀(jì)八十年代末開(kāi)始，臺(tái)灣清華大學(xué)（National Tsing HuaUniversity, NTHU）掀起了又一輪回旋行波管研制的高潮，并取得了里程碑式的成果。這一時(shí)期研究人員對(duì)寄生振蕩的三大誘因（工作模式在近截止處的絕對(duì)不穩(wěn)

(b) 1-3 兩種具有一定模式選擇特性的高頻電路。(a)開(kāi)縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[45]；(b)開(kāi)槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)除了以上介紹的圓波導(dǎo)高頻電路，螺旋波紋波導(dǎo)（Helically corrueguide, HCW）也是一種重要的回旋行波管高頻電路類型。英國(guó)思克萊德niversity of Strathclyde）和俄羅斯應(yīng)用物理研究所（IAP）合作開(kāi)展了一系旋波紋波導(dǎo)高頻電路和大回旋電子槍的回旋行波管研制工作。螺旋波紋改變了光滑波導(dǎo)在近截止頻率處的色散特性，從本質(zhì)上減小了絕對(duì)不穩(wěn)的可能，保證了放大器的穩(wěn)定性。此外，由于結(jié)構(gòu)中電磁波的相速在很范圍內(nèi)保持不變，使得放大器能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶工作。1998 年，G. G. D研制的X波段螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管，在 200 kV的電壓驅(qū)動(dòng)下得到了 1.1 MW，增益 23 dB和效率 20%的結(jié)果[63]。2002 年研發(fā)出工作在Ka波段值功率 180 kW，增益 25 dB的螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管[64]。2007 年，英德大學(xué)報(bào)道了X波段螺旋波紋波導(dǎo)回旋行波管在速度比為 1.2，電壓 18流6.0A條件下得到了輸出功率220 kW，增益24 dB，效率20%，飽和帶寬

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2802956