（物理电子学专业论文）8mm介质分布加载回旋行波管高频结构的研究.pdf

摘要 摘要 适用于毫米波波段的回旋行波管具有高频结构简单、高平均功率、高效率、 高增益、宽带宽等特性，但自激振荡导致的不稳定性问题却严重限制了回旋行波 管性能的发挥。因此，如何抑制自激振荡就成为了国内外研究的主要方向。 本论文以如何提高回旋行波管的稳定性为出发点，把介质分布加载回旋行波 管的高频结构作为主要研究对象，从理论分析、数值计算和模拟仿真等方面进行 了深入的研究和讨论。研究的主要内容包括： l 、对回旋行波管的自激振荡问题进行了详细研究。从回旋行波管的小信号 色散方程和返波线性增益出发，对绝对不稳定性和寄生模式返波振荡进行了理论 分析。通过数值计算可知，当单位长度衰减值大于3 d b c m 时，工作模式r e o 模 的绝对不稳定性得到抑制；当单位长度衰减值分别大于2 5 d b c m ，4 5 d b c m 和 4 2 d b c m 时，各主要寄生模式的返波振荡得到了抑制。 2 、对介质分布加载构成的高频结构进行了研究。利用场匹配理论及小信号 理论对部分介质均匀加载的高频结构和介质环与金属环构成的周期高频结构进行 了分析和数值计算。当d = 1 4 m m ，t = 1 1 2 2 j 时，工作模式t e o 。模单位长度衰 减值为3 4 2 c r n ，寄生模式h e i 。，h e 2 和t e o ，的单位长度衰减值分别达到 3 0 7 d b c m ，1 0 5 3 d b c m 和1 6 4 2 d b c m ，达到了抑制自激振荡所需要求。 3 、对介质加载回旋行波管的小信号增益进行了研究。通过小信号色散方程 得到了介质加载回旋行波管的小信号增益表达式。由数值分析结果得到了在抑制 自激振荡的前提下，保证回旋行波管有较高增益的方法。 4 、对介质分布加载回旋行波管的高频结构的相关参量进行优化，并利用 h f s s 进行仿真，将得到的结果与数值分析的结论进行比对验证。结果显示，以 介质环和金属环构成的周期高频结构能够抑制回旋行波管的自激振荡，提高整管 的稳定性，并且还能保证以r e o ，模为工作模式时有较高的注波互作用效率。 关键词：8 m m ，介质分布加载，回旋行波管，自激振荡 a b s t r a c t a bs t r a c t t h eg y r o - t w ti sah i g hp o w e rs o u r c ew i t hs i m p l es t r u c t u r e ，h i g hp o w e r , h i g hg a i n , h i 曲e f f i c i e n c ya n db r o a db a n d w i d t hc a p a b i l i t i e si nm i l l i m e t e rw a v eb a n d b u tt h e i n s t a b i l i t yp r o b l e mi sd u et os e l f - o s c i l l a t i o n ，i tr e s t r i c t sg y r o t t s c a p a b i l i t y h e n c e ， h o wt or e s t r a i nt h es e l f - o s c i l l a t i o na l et h em a i nd i r e c t i o n so fg y r o - t w t sa tp r e s e n t i nt h i st h e s i s ，t h es t a b i l i t yo ft h ed i s t r i b u t e dd i e l e c t r i c1 0 a d e dg y r o - t w ta m p l i f i e r h a sb e e na n a l y z e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n t h em a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： 1 t h es e l f - o s c i l l a t i o no ft h eg y r o - t w ti si n v e s t i g a t e di nd e t a i l u s i n gt h es m a l l - s i g n a ld i s p e r s i o ne q u a t i o na n dl i n e a lg a i nf o rab a c k w a r dw a v et oa n a l y z et h ea b s o l u t e i n s t a b i l i t ya n db a c k w a r d - w a v eo s c i l l a t i o no ft h es p u r i o u sm o d e s w h e nt h ea t t e n u a t i o n e x c e e d s3 d b c m ，t h ea b s o l u t ei n s t a b i l i t yo ft h eo p e r a t i n gr e o lm o d ei ss u p p r e s s e d m e l lt h ea t t e n u a t i o n se x c e e d2 5 d b c m , 4 5 d b c ma n d4 2 d b e mr e s p e c t i v e l y , t h e b a c k w a r d - w a v eo s c i l l a t i o n so ft h es p u r i o u sm o d e sa l es u p p r e s s e d 2 u s i n gt h ef i e l dm a t c h i n ga n ds m a l l - s i g n a lt h e o r y , t h eh i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r e w i t hd i e l e c t r i cd i s t r i b u t i o nl o a d e di si n v e s t i g a t e d w h e nt h i c k n e s so ft h ed i e l e c t r i ci s 1 4 m m ，r e l a t i v ep e r m i t t i v i t yi s 11 2 2 j ，t h ea t t e n u a t i o no ft h eo p e r a t i n g 砜im o d ei s 3 4 2 d b c m ，t h ea t t e n u a t i o n so fs p u r i o u s m o d e sh e i l ，h e 2 la n d 觋a t t a i n 3 0 7 d b c m ，10 5 3 d b c ma n d16 4 2 d b c mr e s p e c t i v e l y t h e ya l ls a t i s f yt h er e q u e s t so f s u p p r e s s i n gt h es e l f - o s c i l l a t i o n 3 a c c o r d i n gt om o d i f y i n gt h es m a l l s i g n a ld i s p e r s i o ne q u a t i o n ，t h ee x p r e s s i o n a b o u ts m a l l s i g n a lg a i no ft h ed i e l e c t r i cl o a d e dg y r o t 、v ri sg a i n e d t h em e t h o d sa b o u t e n s u r i n gr e l a t i v e l yh i g hg a i na r ea c h i e v e d t h e ya l s oc a ns u p p r e s st h es e l f - o s c i l l a t i o n 4 u s i n gt h eh f s st os i m u l a t et h eh i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r eo ft h ed i e l e c t r i c d i s t r i b u t i o nl o a d e dg y r o t 瞩亿t h er e s u l t si n d i c a t et h i ss t r u c t u r ec a ns u p p r e s st h es e l f - o s c i l l a t i o na n de n s u r et h eh i g he f f i c i e n c y k e y w o r d s ：8 m m ，d i e l e c t r i cd i s t r i b u t i o nl o a d e d ，g y r o ms e l f - o s c i l l a t i o n 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：兰孟也日期：2 咖年鸟月：1 日 关于论文使用授权的说明 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) 日期：如口年右月z f e l 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 对微波器件研究的进步导致常规微波器件已很难满足人们对高功率和宽带宽 的需求，这时，最适合工作于毫米波、亚毫米波段的回旋器件应运而生。回旋器 件的工作机制是：在j i - d h 磁场的引导下做螺旋线运动的电子注在注波互作用结构 中将横向能量转变成微波。在结构上，回旋器件也相对简单。与传统微波器件相 比，回旋器件能够在很宽的频率范围内产生高脉冲峰值的功率和连续波功率，因 此，在军事民用方面有着很广阔的应用前景【l 捌。在数十年间，国内外的研究人员 对这种以电子回旋脉塞不稳定性为物理支撑的回旋器件进行了深入的研究，研制 出了一系列与传统微波器件相对应的管型。它们具有各自的优点，应用于不同的 方面，其区别在于互作用结构及工作状态的不刚4 1 。 在回旋器件中，回旋行波管作为一种基于相对论效应的快波器件，采用行波 波导输出，与普通行波管相比，行波波导不仅结构简单，而且较大的横截面有利 于高功率输出。同时，快波可以工作在高阶模式，这在更大程度上增加了互作用 空间，进一步提高了功率容量。所以，回旋行波管具有高平均功率容量、高效 率、高增益、宽带宽等特性，是毫米波波段有效的高功率源，可应用于高分辨雷 达及高容量密集性通信系统。国内外不少知名高校分别在厘米波段、3 m m 及 8 m m 波段进行了研究工作。 1 1 介质分布加载回旋行波管的研究意义 虽然回旋行波管有这么多的优点，但波导的色散特性导致其注波互作用仅仅 维持在一个很窄的频率范围内，且无法很好得解决回旋行波管的自激振荡问题， 所以传统的回旋行波管的性能远远低于理论预期值。因此提高回旋行波管的带宽 和抑制自激振荡问题就成了目前国内外研究的重点。 在以往的研究中，为了进一步得拓宽回旋行波管的带宽，采用了以下的一些 方案： 1 、调节工作电压、工作电流、横纵速度比口和速度零散； 2 、控制磁场强度及回旋谐振波数； 3 、采用渐变磁场或渐变波导结构； 电子科技大学硕士学位论文 4 、通过介质加载或采用螺纹波导对互作用结构的色散关系进行整型。 从带宽方面出发，考虑到导致振荡取代放大过程的回旋行波管工作模式的绝 对不稳定性的问题，前两种方案对关键参数优化的范围较小，带宽得不到明显的 提升【5 1 。 采用第三种方案，虽然回旋行波管的带宽会有所提升，但由于互作用结构仅 有一小部分在给定的狭窄的频率范围内能有效得进行放大工作，随着频率的改 变，这段有效部分也在改变着它在互作用段中的位置，因此必须以牺牲整管的增 益为代价。在这方面以n r l 和台湾清华大学( n t h u ) 的朱国瑞教授领导的研究组 为代表的一些专家作了深入的研究，研发出采用渐变波导结构和渐变磁场的回旋 行波管【6 。7 】。此种互作用结构能在较宽的频带范围内满足注波谐振条件，但增益都 较低。下表即为他们进行相关实验的结果： 表1 1 渐变波导同旋行波管的测试结果 时间 实验工作工作频注电注电 增益 效率 带宽 备注 单位 模式 率f k ,流 ( d 8 )( )( ) ( g h z )( k v )( a ) 1 9 8 1n r l t e 0 1 3 57 011 81 3 2 渐变分布 波导结构 1 9 8 3n r l t e l o 2 6 54 00 162 8 渐变分布 矩形波导 4 0 0 3 1 9 9 0n r lt e l l2 73 31 51 61 03 3 渐变分布 矩形波导 3 8 1 9 9 3n t ht e l o3 23 31 52 01 62 0 两级渐变 u 放大 3 9 1 9 9 4n t h t e l o 2 4 63 31 62 01 03 3 渐变分布 u 矩形波导 3 9 4 方案四的灵感来源于对普通行波管的慢波结构的色散方程进行整型从而获得 多倍频程带宽的技术的成功。该方案被实验证实是目前最有效地不仅能提高回旋 行波管带宽，同时又不至于使其增益降低的方案。最初，n r l 提出了一种称为慢 波回旋放大器( s w c a ) 的结构 8 】。s w c a 是一种非相对论慢波器件，其互作用 发生在慢波区域中。仿真结果表明，s w c a 的瞬时带宽可达到3 0 4 0 ，最大 增益可达3 0 - 、- 4 0 d b 。但由于在s w c a 中采用了适中的电子注电压，因此其输出 功率低于普通回旋行波放大器。更重要的是，s w c a 与普通回旋行波管相比，因 2 第一章绪论 为其互作用发生在o j c k ： o ，s b 1 的情况。 通过前面的分析可知，绝对不稳定性发生在传播常数吃 o 的区间。 所以，把( 2 2 9 ) 式代入( 2 3 2 ) 式就可以得到以无耗均匀波导作为互作用 段的回旋行波管发生绝对不稳定性的自激振荡频率和起振电流： q = q 毒+ 8 夕蠹( t 一凄 + 6 4 卢三 2 - + 8 芦二， ( 2 3 4 ， 纠2 圳5 矗系高4 3 5 ， k 吨旧毒膨。 协3 6 ， 分析上面各式可知，自激振荡频率q 主要由截止频率q ，横纵速度比口和 引导磁场或决定，起振电流l 主要与加速电压z o ，横纵速度t l , a ，引导磁场s o 有 关。更为重要的是通过( 2 3 5 ) 式可知起振电流与耦合系数成反比，工作在 谐波状态下的回旋行波管较基波状态下具有更高的起振电流。同时，起振电流与 1 7 电子科技大学硕士学位论文 可见，当工作频率在自激振荡频率附近且工作电流大于起振电流时，工作模 式的绝对不稳定性造成的自激振荡就会发生。 同理，考虑损耗的情况，利用( 2 1 3 ) 式，令缈2 一k 2c 2 = 眈2 ，忽略( 2 2 4 ) 式中包含乙和的部分，再在方程两边同时除以。4 。c ，进行归一化得： 。c 国，七，= 石2 一石2 一 一c + ，( ，+ ：m z m z l 8 1 ( 2 3 7 ， l c o 一屈o k s b + 善= 0 对( 2 3 7 ) 式进行整理可以得到以下的复四次方程： 孱2 。m k 4 + 2 3 ：。( s b 一石) - 3 + l 石2 ( 1 一威) 一2 s b - 石+ s 2 b 2 + 威l 石2 + 2 3 = 0 0 - 0 2 ) ( s b - o ) 石+ n 叫- + 刍联h 沼3 8 ) ( 国一2 石s b + s 2 b 2 ) + 孝= o 通过对方程( 2 - 3 8 ) 式进行数值求解就可以得到考虑损耗情况下的起振电 流。求解思路为，通过给定一系列归一化频率国的实数值，利用方程( 2 3 8 ) 式 求出对应的归一化传播常数k ，然后再通过绝对不稳定性的产生条件进行判断， 最终得到考虑损耗情况下的起振电流。 2 2 3 绝对不稳定性的数值分析结果 考虑无损耗的情况，工作模式为珥。模，利用m a t l a b 进行数值计算分析可以 得到以下结论： 从下图2 3 中可以看出，随着横纵速度比口的减小，相同引导磁场鼠下所对 应自激振荡频率将相应提高，引导磁场昂与切点磁场以的偏差越大，自激振荡频 率对横纵速度比口的变化越敏感。同时，随着引导磁场岛的增大，自激振荡频率 先增大至一定的值，然后又迅速减小。当晶增大到与切点磁场一致，即岛或= 1 时，不论口取何值，自激振荡频率均到达最大值。 从下图2 - 4 可以看出，随着引导磁场鼠与切点磁场吸的偏差的增大，起振电 流也在增大。因此，增大磁场的偏移量有利于抑制工作模式的绝对不稳定性。 第二章回旋行波管自激振荡问题的研究 - 、 n 工 5 v 盥 静 骚 撼 鞲 舞 皿 图2 3 自激振荡频率与引导磁场和横纵速度比口的关系 图2 _ 4 起振电流与引导磁场的关系 但有两方面需要注意，一方面，横纵速度比口的减小虽然能提高起振电流， 但它将导致电子注横向能量的降低，而回旋行波管作为横向换能器件，减小口值 最终将造成整管效率的降低。因此，为了兼顾抑制绝对不稳定性和保证高效率这 两个方面，口一般选择在1 0 附近。 1 9 电子科技人学硕士学位论文 另一方面，虽然当回旋行波管工作在切点状态下其增益最高，但由图2 4 可 以看出，此时的起振电流过小，回旋行波管的绝对不稳定性很容易发生。因此， 为了既抑制绝对不稳定性又保证有较高的增益，引导磁场需要略偏离切点磁场 值，岛曰。的值一般选择在o 9 8 左右。 虽然提高起振电流可以起到抑制回旋行波管绝对不稳定性的作用，但是在没 有介质加载的情况下，为了达到1 5 0 k w 以上的功率输出，工作电流一般需要在 1 0 a 以上。从图2 4 可知，在口= 1 0 的情况下，采用无损耗均匀波导的回旋行波 管在r e o 的工作模式下，其起振电流为4 a ，远低于工作电流1 0 a 的设计要求。 这说明，为了抑制回旋行波管的绝对不稳定性，需要对高频结构进行改进，因此 下面考虑引入损耗的情况。 从下图2 5 中可以看出，随着传播损耗的增大，起振电流也相应得增大。另 外，随着引导磁场偏离切点磁场的增加，起振电流也随之增加。因此，增加波导 损耗以及增加引导磁场对切点磁场的偏离值，可以明显得提高起振电流。 进一步地，当传播损耗大于3 d b c m 时，在口= 1 0 ，岛盈= o 9 8 的情况下， 起振电流大于设计所需的1 0 a 的工作电流。这也说明，采用有损耗的波导可以提 高起振电流，有利于抑制绝对不稳定性的发生。 因此，通过采用损耗波导来提高起振电流以达到抑制工作模式的绝对不稳定 性的方案是可行的。 图2 - 5 绝对不稳定性的起振电流与传播损耗的关系 2 0 第二章同旋行波管自激振荡问题的研究 2 3 回旋行波管返波振荡的分析 在前面的内容中已经结合图2 1 对返波振荡产生的原因进行了一些介绍。而 对返波振荡的理论分析主要利用小信号理论对色散方程进