（电子科学与技术专业论文）矩形栅慢波系统及输入输出结构的研究.pdf

a b s t r a c t t w ti sa l la p p a r a t u st h a tc a r ta m p l i f yt h ee n e r g yo fm i c r o w a v e a n di t ss l o w - w a v e s y s t e mi st h ep a r tw h e r et h ee l e c t r o n si n t e r a c tw i mt h em i c r o w a v ea n de x c h a n g ee n e r g y 谢t l lt h em i c r o w a v e i tr e l a t e st ot h eb a n d w i d t h ，e f f i c i e n c y , e t co f 帆i td e c i d e st h e c a p a b i l i t yo f1 呵d i r e c t l y t h ei n p u ta n do u t p u ts 咖c t u r eo f1 叮i st h ei n p u ta n d o u t p u tp o r t so ft h es i g n a la m p l i f i e d t h em a t c h i n gi m p e d a n c ea n dw a s t a g er e l a t et ot h e t w tc a no rc a nn o tw o r ku pt os n u f f t h e ya r et h ep r o b l e m sw h i c hn e e db es o l v e d w h e nw ed e s i g nt h ei n p u ta n do u t p u ta p p a r a t u s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l o w w a v es t r u c t u r ew i t hg r a t i n g sa l et h a tt h es t r u c t u r ei s c o m p a c t , i tc a l lb eu s e di nt h es i t u a t i o no fs h o r tw a v e l e n g t ha n ds m a l ls i z e ；t h ep r e c i s i o n o fm a c h i n i n gi sh i g h ，i tc a nb eu s e di nm i l l i m e t e rw a v ea n ds u b m i l l i m e t e rw a v et w t i tu s e s t h es h e e te l e c t r o nb e a m ，s oi t sp o w e ri sh i 曲a n dt h et h e r m a lc a p a e i t yi sb i g t h i sp a p e r u s e sg r a t i n g 嬲s l o w w a v es y s t e m i ts t a r t st oa n a l y s i sf r o ma r b i t r a r yg r o o v e sg r a t i n g s t r u c t u r e ，a n do b t a i n st h ed i s t r i b u t i n go ff i e l d ，d i s p e r s i v ef u n c t i o n , a n dc o u p l i n g i m p e d a n c e f r o mt h o s e ，w ea l s oo b t a i nt h ed i s t r i b u t i n go ff i e l d ，d i s p e r s i v ef u n c t i o n , a n d c o u p l i n gi m p e d a n c eo fr e c t a n g l eg r a t i n gs t r u c t u r e w ea n a l y s i st h ed i s p e r s i o n so ft h e s i n g l eg r a t i n gs t r u c t u r ea n dd o u b l eg r a t i n g ss t r u c t u r eb yc s t , a n do b t a i nt h ei n f l u e n c e o fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r st ot h ed i s p e r s i o n , a n dg e tt h es i z eo fk a - b a n ds i n g l eg r a t i n go r d o u b l eg r a t i n g ss l o w w a v es t r u c t u r e b e s i d e sp r e s s u r i z e s ，t h em i c r o w a v ew i n d o wo ft h em p u ta n do u t p u ta p p a r a t u s ( i n c l u d i n gt h ei n p u tw i n d o wa n dt h eo u t p u tw i n d o w ) a l s ot r a n s m i t sm i c r o w a v ee n e r g y t h eq u a l i t yo ft h em i c r o w a v ew i n d o wi m p a c t so nt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e ra n dt h e l i f e - s p a no ft w t i t sb a s i cr e q u i r e m e n t sa r e ：h a v i n ge n o u g ho fw o r k i n gf r e q u e n c y b a n d w i d t h , p o w e rc a p a c i t yi sb i g , t h ei n s e r t i n gw a s t a g ei ss m a l l ，t h ec a p a b i l i t yi s9 0 0 d t h i sp a p e rd e s i g n sam i c r o w a v ew i n d o ww h i c hh a sall0 g h zc e n t e rf r e q u e n c y , a n da m o r et h a n9 g h zb a n d w i d t h i ti sc o n n e c t e dt ot h ei n p u ta n do u t p u ts t r u c t u r eo fd e e p g r o o v es i n g l eg r a t i n gs l o w w a v es y s t e m ，a n dw eo b t a i nag o o dr e s u l t k e y w o r d s ：a r b i t r a r yg r o o v e , d i s p e r s i o ne b r v e ，t r a n s p o r tp a r a m e t e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 月喝 日期：加，。年月j 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：么墟 导师签名： 、 l 沉价 日期：沙，口年，月孑f 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电磁波谱中，频率在3 0 0 m h z 到3 0 0 0 g h z ，与其相对应的波长在1 米 - - 0 1 毫 米之间的电磁波，通常我们把这样的电磁波成为微波。而微波管，就是指工作在 微波波段的真空电子器件的简称。第一只微波电子管诞生于上个世纪的三十年代 后期，而被大量应用则是在第二次世界大战期间。在二战期间，伴随着微波雷达 的发明及迅速普及应用，微波管也迅即被得到大量地应用。上个世纪五十年代以 来，微波电子管的应用已经迅速扩展到军事以及民用，诸如微波中继通信、卫星 通信、电视广播、导航、能量传输、民用加热和科学研究等各个方面。微波电子 管在军事和民用等诸多方面都发挥着不可替代的作用! 在微波电真空器件的家族体系中，作为最重要成员之一的行波管，经过半个 多世纪的发展，己在带宽、输出功率及可靠性等方面取得瞩目的成就，发展趋于 成熟【3 - 5 1 。 1 2 行波管的介绍 1 2 1 发展历程 行波管是微波电真空器件中非常重要的一类。行波管包括大功率行波管、返 波行波管和检波行波管等等【6 】。康夫纳( k o m p f n e r ) 在1 9 4 3 年研制成了世界上第 一只行波管，当时这只行波管的工作频率是3 3 g h z ，工作电压是1 8 3 0 v ，电流是 o 1 8 m a ，得到的增益是6 d b ，噪声系数是1 4 d b ，刚开始的这些数据都不是很理想， 后来人们对它进行了改进，改进后的增益是1 1 5 d b ，噪声系数是l l d b ，可是即使 是改进了也没有办法得到应用，因为从输出端反射回来的电磁波很容易回到输入 端形成正反馈【_ 7 1 。这种情况一直持续到1 9 4 7 年，美国贝尔实验室的疫尔斯 ( j r p i e r c e ) 发展了小信号理论，皮尔斯指出在行波管中加入一个集中衰减器能 够有效抑制正反馈，使管子工作稳定，为行波管的应用开辟了道路，这时的行波 管才第一个迎来了真正意义上的发展高潮 s q o 】。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 行波管的优点 行波管作为高功率放大器，其具有如下独一无二的性能【1 l 】： 1 工作带宽极宽( - - i 以达到3 个倍频程) ； 2 输出功率足够高( 3 0 w 1 0 k w ) ； 3 电子注加速电压适度( 1 v - 2 0 k v ) ； 4 配套使用多级降压收集极时有很高的整管效率( 5 0 7 0 ) ； 5 良好的线性( 当应用附加的信号调节后有更大的改善) ； 6 低噪( 有低噪、低功率的固态放大器作为前置放大器时，噪声系数小于1 0 d b ) ； 7 结构紧凑、重量较小( 相对提供的输出功率而言) ； 8 寿命长和可靠性高( 星载行波管和空间探测行波管) 。 经过近七十年的发展，行波管的工作频带已覆盖从5 0 0 m h z 到1 1 0 g h z 如此宽 的频率范围，在此范围里每个频段都有许多种不同性能( 不同的工作带宽、不同 的输出功率以及不同的增益等) 的行波管可供用户选用。国外实验室现在已经在 试用三个倍频程( 2 g h z 一1 6 g h z ) 的行波管了，连续波输出功率也在千瓦量级。在 功率提高的同时，行波管的效率也有了明显的提高，现在使用多级降压收集级的 行波管总效率可达到6 0 以上，且由固态器件和行波管组成的放大链总增益已获 得7 0 - - 8 0 d b 。行波管的寿命和可靠性也有了惊人的提高，卫星用行波管可以连续 工作1 0 1 5 年而不损坏，导弹用行波管则可以经受高低温及上百g 的加速验证。 1 2 3 行波管的原理及基本构成 电磁波通过行波管与同步运动的电子注有效的互作用，使电子注把能量交给 电磁波，从而来放大电磁波能量。行波管的关键是使被导电磁波和电子注实现速 度同步。用慢波结构使电磁波的相速度低于光速，只比电子注速度快一点，使大 部分电子处于减速场，从而让电子把能量交给电磁波，这样电磁波能量便能被放 大。 为了上述功能的实现，行波管由电子枪、磁聚焦系统、输能耦合装置、慢波 系统和收集极组成【控】，其中电子枪产生电子注，磁聚焦系统聚焦电子注，收集极 回收电子注，它们属于电子光学系统。慢波系统和输能耦合装置属于高频结构， 是用于慢波的能量放大和电磁波的输入输出及传播。最终由收集极回收电子。行 波管结构如图1 1 。 2 蔓= 苎堕堡 m子艳襄盘j统 1 3 慢波结构 图1 i 行波管的结构图 众所周知t 电子的速度比真空中的光速小，而一般的均匀波导传输线巾传播 的电磁波的相速比光速大，这就需要一种将电磁波的相速降到足够程度的电磁系 统。这种系统就称为电磁慢渡系统。 慢波结构是放大微波能量的主要部件，是行波管中进行注一波互作用的地方， 它是行波管的核心，它的性能的好坏直接决定了行波管的技术水平的好坏。 在已经选定了的工作模式之下，慢渡电路主要的参量和特性有耦台阻抗、色 散特性等。表示微波场与电子注相互作用是强是弱的一个参量是耦台阻抗。耦台 阻抗的量值越大，电子注与微波场之间进行了充分的能量交换，微波场与电子注 的耦合就越强a 另外散热性能好、易于加工、结构简单、强度高是慢波电路机 械在实际应用和生产中被要求的。色散特性是指传播的微波场的相速在慢波电路 中随频率变化的关系。用于宽频带行波管的慢波电路，要求色散较弱，即相速随 频率在频带宽度内的变化应尽量小。以保证整个频带宽度内电子注与微波场相速 之间同步进行。 4 输入输出结构 行波管的输入输出耦合装置是放大信号的入口和出口。其中，输入输出端口 的阻抗匹配和损耗问题关系到行波管能杏正常工作，是设计输入输出祸合装置时 需要解决的问题。 微波窗( 包括输入窗与输出窗) 是输入输出系统重要的部件之一，它除了密 电子科技大学硕士学位论文 封作用外，还承担着微波能量的馈送，微波窗的质量好坏直接影响微波器件的电 参数及其寿命。对它的基本要求为：有足够宽的工作频带、功率容量大、插入损 耗小、工艺性能好。因此，设计性能良好、结构合理的微波窗是微波电子管总体 设计中的重要一环【1 4 1 。 1 5 矩形波导栅慢波结构 “栅”，作为一种经典的电磁慢波结构，在大量的微波电子系统中被采用，在 微波及毫米波技术中也有着广泛的应用，例如线性磁控管、多波衍射发生器以及 回旋管、返波振荡器和行控管等。它有众多优点，其中最大的优点是结构紧凑， 可应用于短波长和小尺寸的情形，加工精度极高，可应用于毫米波和亚毫米波行 波管中【1 5 】，如返波振荡器、行波管【1 6 1 、平面栅速调管，以及一些新型的大功率微 波器件上，如切伦科夫发生器【1 7 j 。这种慢波结构是在矩能够在几百吉赫兹频率上 产生高功率电磁波【1 8 】。 1 6 本论文的工作 第一章绪论 本章是整个论文的综述部分，介绍了行波管的发展历程，行波管的优点、原 理及基本构成，介绍了慢波结构、输入输出结构和矩形波导栅慢波结构。 第二章任意槽矩形波导栅结构 本章分析了任意槽形状矩形波导栅的场分布、色散方程以及耦合阻抗。为以 后的矩形波导栅结构的高频特性的研究奠定了基础。 第三章单矩形栅慢波结构的模拟分析 本章研究了任意槽结构中的一种特殊结构矩形栅结构，得出单矩形栅慢 波结构的场、色散方程和耦合阻抗的表达式，分析了慢波结构的尺寸对色散的影 响，得出欲使结构工作在更高频段，应选用短周期，短端口，浅槽的慢波结构。 第四章双矩形栅慢波结构的模拟分析 本章推导了双矩形波导栅慢波结构的场、色散方程以及耦合阻抗的表达式， 通过模拟计算，分析了双栅结构尺寸对色散的影响。得出欲使结构工作在更高频 段，应选用短周期，短端口，浅槽的慢波结构。 本章还简单的模拟并分析了单栅和双栅结构对他们的色散的影响。 4 第一章绪论 第五章单栅矩形波导输入输出结构及分析 本章先深入研究了深槽单栅慢波系统的传输参数，得到了满足驻波系数小于 1 5 的情况下的工作尺寸，但是带宽不是很理想。又研究了加入微波窗后的输入输 出结构，得到了满足优化目标的结构尺寸，仿真结果比较理想。 第六章全文总结 电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章任意槽矩形波导栅慢波结构 “栅”，作为一种经典的电磁慢波结构，在大量的微波电子系统中被采用，其 热容量大，功率电平高，并且结构紧凑，加工的精度也是很高，可用于短毫米波 行波管中。一般由一金属栅和平行于该金属栅的平面导体板来组成平板类矩形波 导“栅”结构。因为不存在边墙，纯的横电模( t e ) 或横磁模( t m ) 是该结构所 支持的电磁模式。在行波管中，一般需加上边墙，形成一个封闭系统，才能使得 传输的电磁波能量不外泄。此时，它所支持的模式是相对于传播方向上的混合模 式，而不是纯的横电模( t e ) 或横磁模( 喇) 了【l 】。 本章研究了任意槽形状矩形波导栅结构，推导出了一个通用的槽形状的栅结 构的场、色散方程以及耦合阻抗的公式。为以后的矩形波导栅结构的高频特性的 研究奠定了基础。 2 2 场分析 jl 夕 l b 1 一 r 懒| | | | |髓u j ： 二s 7 图2 1 具有任意槽的矩形波导栅慢波电路示意图 如图2 - 1 所示，槽为任意形状，其内深度为p ，槽口宽为s ，周期为l ，栅顶 边界到波导顶距离为b ，a 为波导宽度。分析模型分为i ，i i 两个区域【1 9 】。 各区域场的表达式如下： i 区，0 y 6 ，由弗洛奎定理及场的边界条件可得： 6 第二章任意槽矩形波导栅慢波结构 彰( 五弘z ) 2 互幺( y ) s i l l ( 以工) p 佛 跏荆= 薹一学以舶) s i 啦矿编： 踟荆= 墨错职( y w 编： ( 2 ” 咖川= 薹铸4 职y 胁( 纠e 讽： 叫( 硼加重一万j p m k , , , ( j ，灿( 纠8 诈 其中，( ) 2 = 碍一，屯= 冬，l - - 1 ，2 ，3 ，( v 。1 ) 2 = 尾一( v ，i ) 2 = 尾+ 一碍， 口 = 圻两，尾= 属+ 警( 属为基波的传播常数) f ，、 f ，、，、a h 厂，。7 厶一”、 黝= 1 w s o u m l , “i , , 一- - y y ) ! j 黝= 仁篇帮 i i 区的场( - p y s 0 ) ( 吃) 2 o ( ) 2 o ( 吃) 2 o ( 碟) 2 0 ( 碟) 2 0 ( ) 2 o ( k ) 2 o 一留 o 一碌 o 砖一碌 o 砖一鬈 o n l 区的场在n l 区与n - 2 区的界面y = 见一：处的导纳： 令 ：丝；壁! 匕= 尘丝j 笠叱= 蔓 j c o , u 堑ia 州e o ( n 一：) + 碟。g o 7 一：) l 1 ，lj 碱 e 吐川 雒。p ( y n - 2 ) + e 榉g o ( y n 2 ) ：登! 匕= 2 1 g = ；鲨! 匕= ：! 磋( 只一：) + e 一。甜7 ( 咒一：) = 象 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 为归一化导纳，则第n l 区域场在1 1 区与n - l 区界面y = 虼一。处的归一化导纳 9 电子科技大学硕士学位论文 为： 从而求得 g - l , - i - 老勰 协” g f 量笪丛盟( 2 - 1 0 ) l * 一l = 一 4 1 喏( 以一。) + 甜7 帆_ ) 艺山_ 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 7 ) 式得： r n _ 2 , n _ i = f t ( y n - i ) g ( y n - 2 ) + g ( y n - i ) v ( y n - 2 ) 令 f ( 见一2 ) g ( 以一，) 一g ( 只一2 ) ，( 咒一，) k 山一l f ( 以一2 ) g ( 咒一，) 一g ( 只一2 ) f ( 只i ) f ( 只一2 ) g ( 咒q ) 一g ( 只- 2 ) f ( 只一1 ) 山一l f 7 ( 儿一，) g 7 ( y 。) 一g 7 ( y ，) f ( m 一。) ( 2 1 1 ) 丁( ，) ：譬掣警止亟掣 ，( 以一2 ) g ( 只一i ) 一g ( 以一2 ) ，( 儿一i ) q ( y n - 2 , y n - 1 ) ：孚粤譬丛罢虹粤业 ( 2 1 2 ) f ( 只一：) ( 只一。) 一g ( 以一：) f ( 只一1 ) 叫2 老蔬尝舄黠 则( 2 11 ) 式表示为： y n - 2 , n - i = 驮y , , - t , y , , - 2 ，等老捌( 2 - 1 3 ) 忽略交界面处不连续性导纳的情况下，两区域在此交界面的平均导纳应匹配。 n 1 区域场在y = ) ，处的平均导纳为： i o 第二章任意槽矩形波导栅慢波结构 l i j 卜2 ：堕竺鲨竺! 型型型二竺：坚竺竺q 。1 4 降但 ，心 2 靠。 = 竞 类似的，第n 区域场在y = y n 一。处的平均导纳为： l u = 啡吐。 由y 川加l = y 川，。知 墨二丝：鱼 e 山以 将( 2 1 6 ) 式代入( 2 1 3 ) 式得： 当n = n 时， 所以： ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) y n - 2 , n - i = q ( y n - ”坩箍骞嬲( 2 - 1 7 ) y n = - p ， 碟) ( 一p ) = o e o 7 ( 一p ) + g 喏7 ( 一p ) - - 0 铲鬻 ( 2 1 8 ) 电子科技大学硕士学位论文 y =：兰! 监= ! ! 鱼：堡! 匕= ! 1 2 一1 j 。一f ( y 一- ) + ：g ( y ；一- ) ( 2 1 9 ) ：! ! 监= ! ! 垡：! 二翌! 二兰：! 二翌! 堡! 毖= 1 2 ，( 妇一i ) g ( - p ) - f 7 ( - p ) g ( y 州) 利用( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 9 ) 式可以得到。 - l ，巧2 小，r o ，。与c ，q 巾。q 的值，槽口出导纳为乓= r o ” 2 3 色散方程 驰，o ，加 “芝2 协2 。) 重器纠( o ) s i 哦砂p 碱：吃 ：等等 掣掣( o ) + 群谨，( 0 ) s i i l ( 吒x ) o z s ( 2 - 2 1 ) = v lj 【z - zlj 1 0 s z o ( ) 2 o ( ) 2 o 砖一碍 o 碍一碍 o - k ； o 砖- k 0 2 0 5 5 o 5 0 0 4 5 0 4 0 2 02 53 0 跖 4 04 55 55 5 嗍u e n c y 图4 - 1 3 参数确定后的c 厂色散 4 5 单双栅的模拟比较 当单栅结构和双栅结构的所有尺寸都一样的时候：a = 4 8 m m ，p = 3 m m ， s - - - 0 4 m m 、l = 0 6 m m ，b ：4 撇。z ，。，i 。一- - 者v p c 厂色散如图4 - 1 4 。 第四章双矩形栅慢波结构的模拟分析 图4 - 1 4 单栅和双栅结构的v 。c 厂色散比较 从图中可以看出，在前期单栅和双栅结构对1 ，。c 厂色散的影响差不多，到 了高频的时候，双栅的色散要比单栅的色散强，相速度的降低程度二者都差不多。 对比第三章第6 节和第四章第4 节的图可以看出，单双栅的结构尺寸变化对 色散的影响是一致的，即每个参数的增大或减少，单双栅的色散曲线的单调性都 一样。也可以说，双栅结构的尺寸对色散的影响跟单栅结构的尺寸对色散的影响 是一样的，只是双栅对行波的相速降低的效果更好一些。 3 9 电子科技大学硕士学位论文 5 1 引言 第五章单栅矩形波导输入输出结构设计及分析 行波管的输入输出耦合装置是放大信号的入口和出口。其中，输入输出端口 的阻抗匹配和损耗问题关系到行波管能否正常工作，是设计输入输出耦合装置时 需要解决的问题。 也就是说，行波管要将微波的能量放大，微波在行波管中传播的时候可能会 发生回波振荡的情况，这样就会把行波管烧坏，我们就要调整行波管的结构，让 返波的能量越小越好，以实现微波能量的正常放大。 本章先深入研究了深槽单栅慢波系统的传输参数，得到了满足驻波系数小于 1 5 的情况下的工作尺寸，但是带宽不是很理想。又研究了加入微波窗后的输入输 出结构，并调整得到了满足优化目标的结构尺寸，仿真结果比较理想。 5 2 仿真优化目标 我们的目标是调整输入输出结构的几个参量，使系统的注波系数( v s w r ) 在 1 5 以下的部分的相对频带宽度达到6 左右，取慢波结构工作的中心频率为 9 5 g h z ，则要达到的绝对频带宽度为5 7 g h z 左右。 根据驻波系数的定义，它是微波传输线上相邻的波腹点电压与波节点电压之 比，即： p = 隐 ，) 胪记 ”1 ) 在c s t ( m w s ) 中，它不能作为直接优化目标。而由微波技术学知识可知， 驻波系数p 与反射系数f 工的关系： p = 制 2 ， 胪瑚 - 2 ) 而在终端匹配的情况下，有： 第五章单栅矩形波导输八输山结构设计及分析 r = s l 根据要求： 口 15 联立( 5 - 2 ) 、( 5 - 3 ) 、( 5 - 4 ) 式可得： i s l 】l 一1 39 6 d b 由于旧，【在c s t ( m w s ) 可阻作为第一参量得出 数的要求转变为对墨i 的要求。 53 输入输出结构设计 ( 5 - 3 ) ( 5 _ 4 ) ( 5 - 5 ) 因而我们可以将对驻波系 深槽单栅慢波系统的结构参数：p = o 8 m m ，d - - 40 r a m b = 50 m m ，s = 03 m m ，n = l l ，n = 4 6 ，l = 15 m m ，h = 6o m m ；输入输出矩形波导的参数为：g = 12 7 r a m ， m = 25 4 r a m 。各字母代表的含义见图5 - 1 、表5 - 1 。 结构模型： 图5 - l 深槽单栅慢波系统的输入输出结构 表5 - 1 输入输出结构模型中的参量初值( s = a * m 为慢波结构输人端的截面积 项目代表字符 顶部和底部波导之间的距离h 标准波导和慢渡结构输入截面的距离l 幔波结构辅 端截面在栅高度上的渐变周期数 慢波结构总周期数 电子科技大学硕士学位论文 输入标准波导的高度 g 输入标准波导的宽度m 矩形栅的宽度 s 矩形栅的周期 p 矩形栅的高度 d 波导空腔的高度 b 5 4 仿真结果分析 通过仿真我们得到深槽单栅慢波系统的输入输出结构的最大带宽，如图： v 。b 秘s t = - 咖w a v er n o o s w r ) r 、弋 一 图5 - 2 驻波比 s - p a a m e 日舭n 击 v f i 韶 乒 、l 、： 。、 ， 进 il 。厂 、 。i 一“ v 鱼 i 图5 3 传输参数 4 2 第五章单栅矩形波导输八输出结构瞳计及分析 h = 8 m m ，1 _ 96 m m 时深槽单栅慢波系统的输入输出结构的驻波系数( v s w r ) 曲线( a ) 及s 参量曲线( b ) ，最大带宽为1 8 3 g h z 结果分析：此结构的带宽并不是很高，分析其原因，丰要有两个：第一，结 构本身的问题：此结构的槽周期较大，栅槽较深，表面率较大，导致系统的有较 多的频率截止点，影响了频带宽度，这也是我们没有对它进行深入研究的主要原 因：第二，我们的问题：由于此结构较复杂，周期较多仿真的速度就很慢，我 们用c s t ( m w s ) 对其进行仿真的时候，计算一次大概需要3 个小时左右，由于 时间有限，我们不太容易得到很好的结果。 55 微波盒形窗 551 设计 微波窗( 包括输入窗与输出宙) 是输入输出系统重要的部件之一，它除了密 封作用外，还承担着微波能量的馈送，微波窗的质量好坏直接影响微波器件的电 参数及其寿命。对它的基本要求为：有足够宽的工作频带、功率容量大、插入损 耗小、工艺性能好。因此，设计性能良好、结构合理的微波窗是微波电子管总体 设计中的重要一环。 在此，我们尝试为深槽单栅慢波系统的输入输出结构设计了微波盒形窗。它 是在h 。矩形波导中插入了一段短的耳模式的圆波导，在圆波导中口j 封结了一片 很薄的陶瓷圆片，整个窗的外型像一个扁形的盒子，因而得名( 图5 4 ) 。 h_ 其主要参数见表5 - 2 图5 4 微波盒形窗的模型 电子科技大学硕士学位论文 表5 - 2 盒形窗的主要参数： 参数名称参数值( r a m ) 陶瓷片厚度l o 2 陶瓷片半径r 1 4 2 圆柱波导半径r1 4 2 圆波导厚度h o 4 盒形窗与其它形式的微波窗( 例如杯形窗) 相比，结构简单，工艺上易于实 现，同时具有较宽的冷测带宽。此外在结构上便于加水套通水冷却，故已成为高 功率微波器件的常用输出窗形式【。 盒形窗的工作原理结构及理论设计可以在许多文献中找到，我们在此不再赘 述，仅列出我们的结果，以供参考。 咖叼es 协帅w d 垤r a 岫( v 纠哌) 。 1 ， - 、一一 i u ；v l j ； f t e c m a - t c y ，弛 图5 - 5 微波盒形窗的驻波系数( v s w r ) 曲线 从图5 5 可以看出，深槽单栅慢波结构的通带的中心频率在1 0 7 g h z 左右，我 们要设计的盒形窗工作频率应该也差不多。由图5 5 ，我们设计的工作在1 0 7 g h z 左右的盒形窗的带宽达到9 g h z 多。 5 5 2 数据仿真 前面我们已经设计了工作中心频率和深槽单栅慢波系统相近的微波盒形窗， 接下来我们将其接入了深槽单栅慢波结构( 图5 6 ) ，对其进行仿真，得到结果如 图5 7 ： 第五章单栅矩形波导输入输出结构设计及分析 56 结论 崔甄琴 囤5 4 带盘形窗的深槽单栅慢波系统的输入输出结构的s 参量曲线 在本章罩，我们对深槽单栅慢波系统的输入输出结构做了研究使其带宽达 到1 8 3 g h z ；设计了工作中心频率为1 1 0 g h z ，带宽超过9 g h z 的微波盒形窗，并 将其接入深槽单栅慢波系统的输入输出结构，得到了较好的结果。 电子科技大学硕士学位论文 第六章全文总结 向更高的工作频率，更宽的频带，更高的输出功率，更高的效率、更高的可 靠性和更长的使用寿命方向发展是行波管总体的发展趋势。而慢波结构又是行波 管中进行注波互作用实现能量交换的核心部件，慢波结构的性能的优劣在很大程 度上决定了行波管的性能。各个国家的学者都正在努力试图找到能在毫米波，亚 毫米波段甚至t h z 波段下工作的慢波结构，其中折叠波导慢波结构，矩形波导慢 波结构以其具有的全金属结构，易于微加工等特性，成为现在研究的热点。相信 不久将会有新的突破，届时行波管将会为人类的发展做出更大的贡献。 本论文首先在对任意槽矩形波导栅慢波结构理论进行详细地推导，然后对栅 慢波结构的高频特性进行了深入的理论分析。利用数值计算工具c s t 软件分别对 单栅和双栅慢波结构的色散进行了仿真。通过数据我们讨论了结构参数的变化对 慢波结构的色散产生的影响，获得了调节频率和相速的途径。还利用c s t 软件研 究了单栅深槽慢波结构的输入输出系统，并计算了加入微波窗的结构的传输参数。 通过研究获得了以下有意义的结论： 1 欲使结构工作在更高频段，应选用短周期，短端口，浅槽的慢波结构。周期 选得太大，相速过高，将难以实现电子注与相速的同步。槽宽和槽间距增大不利 于色散，槽与上板距离b 随对色散影响不大。 2 对单双栅慢波结构分别分析，得出只要减小慢波结构的尺寸，槽周期和槽深， 可以使慢波结构结构工作到更高的频段。 3 对单栅矩形波导输入输出结构进行设计，并仿真出理想的结果，同时也研究 了加入微波窗以后的输入输出结构，并得到了理想的结果。 总之，本论文对一种有可能工作在毫米波，亚毫米波段慢波结构进行了有意 义的研究，为实际制管提供了理论参考依据。当然对这种慢波结构研究还有很多 工作可以继续，例如：本论文对慢波结构槽区的场只考虑了基模的情况，只是对 实际槽区的场分布的一种简化处理，虽然能够在一定程度上分析慢波结构的一些 特性，但难免会产生误差，下一步工作可以考虑槽区的场的全部模式对慢波结构 进行分析，减小分析误差；对注波互作用的线性和非线性理论的分析；对介质加 载的慢波结构注波互作用的分析；考虑栅结构的变态结构等。 致谢 致谢 首先向我的导师宫玉彬教授致以最诚挚的谢意，以及最崇高的敬意。本论文 完全是在宫玉彬老师的悉心指导下完成的，宫玉彬教授素来治学严谨，工作认真， 在写论文期间，我深深地感受到导师在治学以及对后来人的培养上严肃认真，在 学术研究上一丝不苟，在论文构思上严丝合缝，在论文安排上井井有条，无处不 体现出一个大师的风范。感谢我的导师在百忙之中还能够抽出这么多的时间来指 导教育我的理论知识，研究思路以及实践工作。从选择课题到开题论证，从公式 推导到模拟仿真，从理论构思到论文撰写，我的论文的每一步的进程，无不倾注 了导师的心血。他渊博的理论知识，严谨的治学态度和诲人不倦的崇高师德给我 留下了极其深刻的印象，不仅让我获得了丰富的科研知识，尤其是导师对学术研 究，对学生培养那种严肃认真的态度，成为我人生中最宝贵的财富，为我以后的 工作中树立了榜样；他严以律己、宽以待人的生活作风也是我今后做人的楷模。 在这里还要感谢师兄路志刚博士，许雄博士，还有王雄硕士、蒋艺硕士、方 天宇硕士、刘鉴旭硕士、滕丽丽硕士、杨慧硕士等同学，他们对我的启发和帮助， 使我克服了许多具体的困难，论文的完成也包含着他们的心血。 最后，感谢评阅论文的各位专家学者，评委老师。再次感谢尊敬的导师宫玉 彬教授，感谢所有给予作者关心，支持和帮助的人。 4 7 电子科技大学学士学位论文 参考文献 【l 】王冠军、宫玉彬、路志刚、魏彦玉、王文祥矩形栅慢波系统的高频特性分析强激光与 粒子束，2 0 0 5 ，v 0 1 1 7 ，n o 8 ：11 3 7 11 4 0 2 】吴万祥谐振式微波窗在磁控管中的应用舟山师专学报( 自然科学版) ，1 9 9 7 ，n o ，32 6 2 9 【3 】kp a r k e r , r h a b r a m s , b 。d a n l y , e ta 1 v a c u u me l e c t r o n i c s i e e et r a n s m i e r o w a v e t h e o r yt e c h ，2 0 0 2 ，5 0 ( 3 ) ：8 3 5 - 8 4 5 4 】l 乙h a b r a m , aa m o n d e l i ，rkp a r k e r v e c u u me l e c t r o n i c sf o rt h e2 1 啦c e n t u r y i e e e m i c r o w a v em a g a z i n e , 2 0 0 l ，2 ( 3 ) ：6 1 - 7 2 【5 】 免kp a r k e r , c m a r m s t r o n g v a c u u me l e e t r o n i c sa tt h ed a w no ft h et w e n t y - f i r s tc e n t u r y 1 9 9 9 ，8 7 ( 5 ) ：7 0 2 - 71 6 【6 】陆钟柞，行波管上海：上海科学技术出版社，1 9 6 2 7 1k o m p f n e r1 lt h et r a v e l i n gw a v et u b e s a sa l la m p l i f i e ra tm i c r o w a v e s p r o c i r e ，19 4 7 8 】p i e r c eji lf i e l dlm t r a v e l i n gw a v e t u b e s p r o e i r e ，1 9 4 7 ，3 5 ( 2 ) ：1 0 8 - 1 1 【9 】p i e r c ej u s p a t e n t2 ，6 0 2 ，1 4 8 ，丘1 e do c t o b e r2 2 ，1 9 4 6 ，i s s u e dj u l yl ，1 9 5 2 【1 0 】g i l m o u rsa p r i n c i p l e so f m n o r w o o d , m a ：a r t e c hh o u s e , 1 9 9 8 ，1 - 4 0 2 【l l 】