研究了螺旋線行波管中電子注與高頻場互作用的時域理論.電子對場的作用由高頻場方程和空間電荷場方程模擬,場對電子注的作用由運動方程模擬.在螺旋導電面模型下利用安培環(huán)路定理和法拉第電磁感應定律得到了時域高頻場方程.利用空間電荷波模型處理空間電荷場,得到了空間電荷場方程.將高頻場和空間電荷場代入洛倫茲力方程,得到了運動方程.利用耦合阻抗處理高頻場方程的激勵源,使得高頻場方程的求解能夠借助諸如hfss或hfcs等高頻模擬軟件來實現(xiàn),增強了時域理論的靈活性.基于上述理論,編寫軟件數(shù)值模擬某螺旋線行波管,驗證了時域理論的可行性.

研制出頻帶覆蓋k波段、輸出功率分別為60w、120w兩種行波管產(chǎn)品,同時在這兩種產(chǎn)品的基礎上進行部分設計改進,研制出k波段帶寬1ghz,飽和輸出功率250w通訊用的行波管。60w/120w行波管采用傳導冷卻方式,二者具有相同的外形結(jié)構及工作電壓。該系列行波管采用兩級降壓收集極,其全頻帶效率達到30%附近。250w通信用行波管在前兩種管型的基礎上采用小型化的結(jié)構,有效地減小行波管的體積與重量,同時采用三級降壓收集極,其總效率達到40%以上。

提出了一種新型的微帶線慢波結(jié)構。與傳統(tǒng)的n型微帶線慢波結(jié)構相比,新型結(jié)構具有相速值較小、工作電壓低、功率大、耦合阻抗高等特點。利用hfss和cst分別對此結(jié)構在v波段進行高頻特性、傳輸特性和注-波互作用仿真,得出在60ghz頻點耦合阻抗大于20ω,在55~63ghz頻段內(nèi)vswr<1.5;當輸入功率為100mw時,并且?guī)铍娮幼⒌碾娏骱碗妷悍謩e工作在100ma和5kv的條件下,該行波管慢波結(jié)構的最大輸出功率為115w,平均互作用效率為14.6%,瞬時3db帶寬為5ghz(56~61ghz)。

在一維場論注-波互作用理論的基礎上,引入磁場對角向速度的影響,建立了二維非線性返波注-波互作用理論,模擬返波振蕩.對不同空間電荷參量下起振長度的變化進行了小信號分析比較,結(jié)果與等效線路模型比較接近;對某8—18ghz行波管進行了實測比較,結(jié)果也比較一致.同時還研究了影響返波振蕩起振長度的因素,提出了該管的抑制返波振蕩方案.

ka波段螺旋線大功率行波管在大容量的通信系統(tǒng)中具有重要作用,本文介紹了目前大功率連續(xù)波螺旋線行波管的現(xiàn)狀,對相關技術進行了分析。通過對高頻結(jié)構的互作用分析、熱分析、多級降壓收集極等分析,設計了一個ka波段連續(xù)波500w行波管的螺旋線互作用結(jié)構,計算機模擬結(jié)果表明可以滿足設計要求。

主要介紹了螺旋線行波管螺旋線的兩種夾持方法:金屬管殼三角變形夾持法和綁扎金屬管殼熱膨脹夾持法,并對兩種方法的優(yōu)缺點做了比較。

俄羅斯學者denisov等提出一種螺旋波紋波導結(jié)構，通過兩模式在角向上的耦合使電子與波在寬頻帶內(nèi)發(fā)生有效的作用，由此制成的回旋行波管從物理機理上增大了互作用效率和頻帶寬度。因此以它為高頻結(jié)構的回旋行波管已成為當今的研究熱點，其關鍵技術是對螺旋波紋波導進行色散和互作用設計。

該文對螺旋線行波管中的場進行了數(shù)值分析。研究表明數(shù)值求解時主從邊界條件的位置決定場傳播的方向,螺旋線旋轉(zhuǎn)方向決定場的旋轉(zhuǎn)變化方向。螺旋線外各類夾持桿和翼片對螺旋線內(nèi)部場分布影響很小,場基本隨貝塞爾函數(shù)分布,但耦合阻抗變化較大,這主要是由于場受螺旋線外結(jié)構影響而影響功率分配。同時,對場的各次空間諧波的研究,特別是零次和負一次空間諧波,有利于準確地求解各次空間諧波的耦合阻抗,對提高螺旋線行波管放大器和返波振蕩的大信號注波互作用計算的準確性有重要的意義。

通過對螺旋帶行波管帶上表面電流的chebyshev展開,得出了色散關系,求出了電場分量和磁場分量的表達式,進而求得了耦合阻抗和耦合磁導納。計算并分析了一個典型結(jié)構的縱向電磁場分量,由這些分量得出的耦合阻抗與chernin等的結(jié)果有很好的一致性,說明了電場表達式的有效性。場表達式可應用于3維行波管cad的程序編寫,耦合磁導納的計算程序更是行波管cad不可缺少的部分。

提出了一種具有工作電壓小、結(jié)構緊湊、散熱性好等特點的新型慢波結(jié)構——徑向螺旋波導結(jié)構,利用電磁仿真軟件分析了其色散及傳輸特性,結(jié)果表明該種結(jié)構行波管工作電壓可低至數(shù)百伏.由于圓柱電子槍發(fā)射面遠大于常規(guī)行波管,因而在小電流密度下仍可保證大電流:電流密度為100ma/cm2時電流可達30a.該結(jié)構在w波段具有較大的尺寸,易于加工,并且在更高波段同樣具有很好的傳輸特性,具有較大的研究價值.

螺旋波紋波導回旋行波管與采用圓波導的回旋行波管相比,有較大的帶寬。介紹了它的線性注波互作用理論,并用該理論計算了不同的磁場與波導表面微擾幅度對ka波段螺旋波紋波導回旋行波管線性增益的影響。計算結(jié)果與已報道的實驗結(jié)果基本符合,說明該理論可以初步確定螺旋波紋波導回旋行波管的各項參數(shù)。

本文介紹了國內(nèi)外q波段螺旋線行波管研究進展,給出了作者在q波段螺旋線行波管設計和性能測試結(jié)果。電子槍采用皮爾斯型電子槍,高頻采用螺旋線結(jié)構,為了提高行波管效率,采用四級降壓收集極。測試結(jié)果表明在工作頻帶內(nèi)連續(xù)波飽和輸出功率超過30w,總效率超過21%,行波管動態(tài)流通率超過98%,飽和增益超過了45.5db。

支撐桿與限位片

從波導的等效邊界條件出發(fā),結(jié)合波導的激發(fā)方程組,通過數(shù)學推導說明了螺旋波紋波導回旋行波管的模式耦合機制。te1,1模會在螺旋波紋波導中耦合出te_2,1模,并且通過計算說明te_2,1模主要和te1,1模的空間-1次諧波發(fā)生耦合。

非線性理論是一種以駐波互作用過程為對象的大信號理論,它能準確地反應電子與波的互作用過程,計算輸出功率、效率等其他非線性理論問題。采用非線性理論中的自洽非線性理論和耦合波理論對螺旋波紋波導回旋行波管進行研究,結(jié)和電子運動方程和互作用方程,反映電子運動和場的激勵相互演變過程。

本文簡述了x波段350w相位一致脈沖行波管的成功研制情況,并簡單介紹了其應用和后續(xù)需求。

對螺旋波紋波導回旋行波管的冷腔色散特性進行了研究,通過理論分析和數(shù)值計算,得到了螺旋波紋波導的冷腔色散方程和色散曲線,并分析了幾何結(jié)構參數(shù)變化對其色散特性的影響。同時利用三維電磁仿真軟件hfss對螺旋波紋波導進行建模和計算。

為抑制回旋行波管的自激振蕩和增加回旋行波管帶寬,俄羅斯g.denisov等人提出一種新型回旋行波管結(jié)構——螺旋波紋波導回旋行波管。通過螺旋波紋波導的特殊結(jié)構使通過波導的兩種模式發(fā)生耦合,耦合出一種新的工作模式,從而改變色散特性,達到抑制自激振蕩和增加帶寬的目的。通過螺旋波紋波導的色散方程,分析其色散曲線,從而分析螺旋波紋波導作為回旋行波管高頻系統(tǒng)的優(yōu)勢。

運用3d粒子模擬軟件magic分析了矩形螺旋線行波管(twt)的注-波互作用過程。模型設計了電導率線性漸變的電阻耦合器代替同軸輸入輸出結(jié)構來減少反射,消除自激震蕩。仿真結(jié)果表明:矩形螺旋線twt模型能夠進行有效的注-波互作用,完全可以反映管內(nèi)互作用的非線性本質(zhì),證明了模型設計的合理性,并對影響注-波互作用的一些重要參量進行了討論。設計的x波段twt可達到的指標為:工作頻率8～12ghz,輸出功率峰值達480w,3db帶寬為4ghz,電子效率為11.8%。

介紹了同軸磁絕緣傳輸線(mitl)的工作特性,對傳輸線極間電子分布、電子損失與磁絕緣的關系進行了闡述;分析了同軸磁絕緣傳輸線極間電子對傳輸線阻抗的影響,采用理論分析與粒子模擬相結(jié)合的方法,實現(xiàn)同軸mitl與負載軸對稱平板二極管的阻抗匹配。運用mpi并行算法分別對帶螺旋支撐桿的mitl進行數(shù)值模擬,并對模擬結(jié)果進行了分析,得出了所添加的螺旋金屬支撐桿對同軸傳輸器件的影響。電壓的最大損失率為2%,陽極電流的最大損失率達到了4.4%,陰極電流的損失率為8.9%,電磁場以及粒子實空間都有相應的變化。

本文介紹一種螺旋線行波管的線性設計,該行波管用于通信。為保證通信信號的質(zhì)量,該型行波管必須具有較好的線性性能,如相移、三階交調(diào)等,文中將結(jié)合一種ka頻段空間行波管的改進過程,以相移作為線性參數(shù)的代表性指標,分析所采取的改進措施對行波管線性性能的提升。目前,該行波管的主要高頻參數(shù)為:相移50°(飽和回退20db)、飽和增益50db、互作用效率20%。

ka波段大功率螺旋線行波管在雷達、電子對抗及通信等電子裝備中發(fā)揮著日益重要的作用.本文初步設計了一種ka波段1kw螺旋線脈沖行波管的高頻結(jié)構.工作電壓18.5kv、工作電流380ma,工作帶寬6ghz功率1.1kw,電子效率15％,飽和增益40db.針對大功率螺旋線行波管中極易出現(xiàn)的返波振蕩現(xiàn)象,通過合理設計衰減器的大小和位置,螺旋線的尺寸分布,有效地抑制了返波振蕩出現(xiàn)的概率.