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毫米波螺旋线行波管慢波系统高频损耗

微波学报 2010年第S1期26卷 445-447页

作者：郝保良黄明光刘濮鲲肖刘刘韦中国科学院电子学研究所北京100190

基于夹持杆分层螺旋带模型和三维电磁场分析研究了毫米波螺旋线行波管慢波系统的导体和介质损耗。螺旋带模型中介质损耗考虑为纵向传播常数的虚部,给出螺旋带中电磁场的解析解,导体损耗由螺旋线和管壳表面的面电流不连续性获得。三维电... 详细信息

基于夹持杆分层螺旋带模型和三维电磁场分析研究了毫米波螺旋线行波管慢波系统的导体和介质损耗。螺旋带模型中介质损耗考虑为纵向传播常数的虚部,给出螺旋带中电磁场的解析解,导体损耗由螺旋线和管壳表面的面电流不连续性获得。三维电磁场分析通过本征模法,求解单周期结构的品质因数和周期储能获得有限导电率导体和夹持杆陶瓷损耗角带来的慢波系统高频损耗。结果表明,毫米波段螺旋线的导体损耗和夹持杆的介质损耗远大于管壳导体损耗,介质损耗与陶瓷损耗角呈线性关系,对高频损耗的影响不可忽略。

关键词：毫米波导体损耗介质损耗螺旋线行波管

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螺旋线行波管大信号相互作用模型的改进

电子与信息学报 1985年第2期 136-143页

作者：宋文淼刘湧铨吴静贤中国科学院电子学研究所

由于Rowe模型的能量不守恒性,使它用于实际的行波管设计时,特别是相速跃变的螺旋线行波管的设计时会产生较大的误差。本文提出的改进模型以能量守恒作为电子注和波之间的相互作用规范,所以在不计空间电荷力时,高频场的功率和电子注消耗... 详细信息

由于Rowe模型的能量不守恒性,使它用于实际的行波管设计时,特别是相速跃变的螺旋线行波管的设计时会产生较大的误差。本文提出的改进模型以能量守恒作为电子注和波之间的相互作用规范,所以在不计空间电荷力时,高频场的功率和电子注消耗的功率精确相等。用新模型的计算结果比用Rowe模型的更接近实际情况,特别是在变相速的设计中。

关键词：螺旋线行波管大信号互作用跃变电子注归一化距离空间电荷力相速

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毫米波螺旋线行波管输能装置设计与实验研究

毫米波螺旋线行波管输能装置设计与实验研究

作者：陈锴电子科技大学

学位级别：硕士

毫米波行波管是一类优质的毫米波源,如今已成为国防建设和国民经济中的关键基础性器件。在高性能雷达、电子对抗以及卫星通讯等领域旺盛的应用需求牵引下,亟待对毫米波行波管开展更高频段、更大功率、更高效率的研究。其中,输能装置作... 详细信息

毫米波行波管是一类优质的毫米波源,如今已成为国防建设和国民经济中的关键基础性器件。在高性能雷达、电子对抗以及卫星通讯等领域旺盛的应用需求牵引下,亟待对毫米波行波管开展更高频段、更大功率、更高效率的研究。其中,输能装置作为行波管的关键部件之一,直接影响行波管的带宽与功率容量,因此,开展输能装置的研究具有重要的现实意义。本学位论文从理论分析、设计仿真与实验研究等方面入手,主要对Ka波段和E波段螺旋线行波管输能装置进行了研究,具体开展了以下创新性工作:1.设计了用于Ka波段螺旋线行波管的四种输能装置。一种是同轴型输能耦合结构,另外三种是不同形式的同轴-波导型输能耦合结构,包括同轴-单脊波导-矩形波导型、同轴-双脊波导-矩形波导型以及同轴-矩形波导型耦合结构。结果显示,在26.5-40GHz频带范围内,加载慢波电路输入段的同轴型耦合结构整体驻波比在1.33以内,加载慢波电路输出段的同轴-波导型耦合结构整体驻波比分别小于1.43、1.88、1.47,达到工作频带内电压驻波比小于2的设计目标。2.开展了Ka波段螺旋线行波管输能装置实验研究。输入端采用同轴型耦合结构,该结构具有频带宽、插损低、可靠性强的优点。冷测实验显示:加载慢波电路输入段的同轴型耦合结构在26.5-40GHz频带内,电压驻波比小于1.98。输出端采用同轴-单脊波导-矩形波导耦合结构,实验结果显示:加载慢波电路输出段的该结构在26.5-40GHz频带范围内,驻波比小于1.96。同时,对实验中出现的问题进行了细致分析,获得了相应解决方法。实验研究表明,设计的输能装置具有结构简单、易于加工,带内反射较小的特点,验证了设计的有效性与可靠性。3.优化设计了E波段螺旋线行波管输能装置。基于E波段行波管的高频特性,分析了该行波管传输特性差的原因。通过推导影响螺旋线特性阻抗的因素,设计了半径渐变的匹配筒结构,结合螺距跳变的方法,改善了整管传输特性。优化后的E波段螺旋线行波管S从-8d B下降至-14d B,S从-6d B下降至-13d B。在此基础上,对整管进行了注-波互作用仿真,整管在工作频带内输出功率达36W以上,最大输出功率达52W,增益达41d B。最后,为该螺旋线行波管优化设计了匹配良好的输能装置,仿真结果显示,加载慢波电路的输入、输出结构在80-87GHz频带内,驻波比分别小于1.43和1.55,满足设计要求。

关键词：毫米波螺旋线行波管阻抗匹配输能装置冷测实验

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微波信号在螺旋线行波管中传输技术的研究

微波信号在螺旋线行波管中传输技术的研究

作者：徐玮电子科技大学

学位级别：硕士

行波管是微波/毫米波电真空器件中最重要的器件之一,它具有高功率、高增益、高效率、宽频带等优点,在通信、雷达、电子对抗等领域中得到了广泛的应用。作为螺旋线行波管重要应用之一的空间行波管是星载转发器和星载合成孔径雷达发射机... 详细信息

行波管是微波/毫米波电真空器件中最重要的器件之一,它具有高功率、高增益、高效率、宽频带等优点,在通信、雷达、电子对抗等领域中得到了广泛的应用。作为螺旋线行波管重要应用之一的空间行波管是星载转发器和星载合成孔径雷达发射机的关键部件,在高频高功率领域起着不可替代的作用,随着航天事业的发展,我国对从C波段到Ka波段的各型号空间行波管都提出了迫切的需求。本学位论文在“某型号K波段空间行波管研制”课题项目的指导下,基于许多前辈研究学者们辛勤研究成果的基础上,对螺旋线行波管高频系统进行了部分研究工作。主要工作和创新之处如下:1、针对螺旋线行波管高频系统中的耦合结构进行了研究。在传输线理论的基础上,利用CST MWS三维电磁场仿真软件设计出了工作在K波段某型号空间行波管的输入输出耦合结构。输入输出耦合结构的驻波系数在整个频带内仿真结果小于1.5;同时对该输入输出耦合结构进行了实测验证。对比仿真结果和实测数据表明,利用CST MWS仿真设计螺旋线行波管耦合结构不仅可以满足实际工程的要求,而且可以有效降低设计成本,缩短设计周期。2、以改善衰减器的匹配性能为目的,利用微波检测的方法,对螺旋线行波管衰减器的匹配性能进行检测。通过测试衰减器的相对衰减量分布曲线,并将其和衰减器的驻波系数进行对比,获得相对衰减量分布曲线与衰减器驻波系数的对应关系。因此,在实际检测中,通过测试衰减器相对衰减量分布曲线能够快速,有效的检测衰减器的匹配性能并为衰减器制作工艺的改进提供有力依据。3、对螺旋线行波管慢波结构进行研究,利用行波法测量螺旋线慢波结构的色散特性和耦合阻抗,并将实验结果和理论数据进行对比分析,色散特性的实测结果和理论计算对比误差小于5%,耦合阻抗的实测结果和理论计算对比误差小于20%,得出的结果表明,行波法测量色散特性和耦合阻抗是研究螺旋线慢波结构的有效手段。

关键词：螺旋线行波管耦合装置衰减器色散耦合阻抗

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8-18GHz大功率螺旋线行波管的研究

8-18GHz大功率螺旋线行波管的研究

作者：王凡电子科技大学

学位级别：硕士

由于具有宽频带、大功率、高效率、高增益等优点,螺旋线行波管在微波/毫米波电真空器件中占据重要地位,在电子对抗、雷达和通信等军事电子装备中得到了广泛的应用。随着电子科学技术的快速发展,要求螺旋线行波管具有更宽的频带,更大的... 详细信息

由于具有宽频带、大功率、高效率、高增益等优点,螺旋线行波管在微波/毫米波电真空器件中占据重要地位,在电子对抗、雷达和通信等军事电子装备中得到了广泛的应用。随着电子科学技术的快速发展,要求螺旋线行波管具有更宽的频带,更大的输出功率,更长的使用寿命,以及更好的散热性能等。基于以上原因,在阅读了大量文献的基础上,本论文对工作在8-18GHz的螺旋线行波管进行了建模仿真分析。为了拓展行波管的带宽,本文选用了T形翼片-T形夹持杆的螺旋线慢波结构,并对该螺旋线行波管的高频系统,能量输入输出装置以及注-波互作用特性进行了研究。本文的主要工作如下:1.确定了慢波结构及尺寸。在研究大量慢波结构的基础上,首先选取了T形翼片-T形夹持杆的螺旋线慢波结构作为研究对象。其次为了使该慢波结构能满足设计需求,我们对该慢波结构的高频特性进行了仿真分析,研究各个结构尺寸对高频特性的影响,得到适合工作在该频段内的慢波结构参数。2.对工作在88GHz频段内的螺旋线慢波系统进行注-波互作用仿真。为了抑制返波振荡,设计出大功率的螺旋线行波管,我们研究了一种螺距和内径都渐变的螺旋线慢波结构,并最终确定该结构的尺寸参数以及工作参数。仿真结果表明,在电流为2A,电压不大于16kV左右时,该行波管可在88GHz频段内产生5200W以上的脉冲功率。3.设计了慢波系统的输入输出装置。在行波管的输入部分设计了同轴阻抗变换部分以及同轴输能窗;由于该行波管部分频点输出功率超过6000W,为了承载大功率输出,在行波管输出部分设计了双脊波导的模式变换部分以及双脊波导窗。4.对该螺旋线行波管进行了热、力、电仿真研究。首先使用ANSYS对未加载散热片的慢波结构进行热分析,在对螺旋线内表面上的热源进行了精确的计算后,仿真得到螺旋线行波管上的温度分布以及热应力形变分布;其次用同样办法对加载了散热片的慢波结构进行了热分析。可以发现,螺旋线上靠近输出窗的位置处温度最高。通过增加散热片以及调整散热片的位置对行波管进行散热,可以使该螺旋线行波管能在指标要求范围内正常工作。该螺旋线行波管能在8-18GHz频带范围内输出超过5200W的功率,超宽的带宽以及超高的输出功率充分说明该管在电子装备中的应用价值。

关键词：宽频带大功率螺旋线行波管能量传输结构热分析

Ka/Q波段螺旋线行波管高频结构设计及实验

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Ka/Q波段螺旋线行波管高频结构设计及实验

作者：胡晓霞电子科技大学

学位级别：硕士

螺旋线行波管因其具有宽频带、高功率、高增益的特点,在电子对抗、雷达和通信等领域被广泛应用。随着军事、通信技术和毫米波应用的不断发展,为满足设备小型化、大容量信息传输和抗干扰强等需要,对行波管提出了宽带宽、高效率的要求。... 详细信息

螺旋线行波管因其具有宽频带、高功率、高增益的特点,在电子对抗、雷达和通信等领域被广泛应用。随着军事、通信技术和毫米波应用的不断发展,为满足设备小型化、大容量信息传输和抗干扰强等需要,对行波管提出了宽带宽、高效率的要求。本文以提高毫米波行波管的电子效率为主要目标,设计了一支Q波段(435.5GHz)窄带螺旋线行波管,和一支Ka波段(26.50GHz)宽带螺旋线行波管。深入开展了金属-介质焊接一体的夹持杆高频结构的实验工作,使其应用于Ka波段螺旋线行波管以满足带宽要求,并且开展了该Ka波段螺旋线行波管慢波线及耦合装置的冷测实验工作。本课题的主要研究方法、工作内容和结果如下:1.对于Q波段螺旋线行波管,利用HFSS仿真软件对比了矩形介质夹持杆和T型介质夹持杆的慢波结构对高频特性的影响,选用了耦合阻抗更高的T型夹持杆的慢波结构,同时分析了不同尺寸参数对高频特性的影响,最终获得了适合的慢波结构参数。并使用大信号软件ORION,对Q波段螺旋线行波管进行了注-波互作用模拟。采用几种不同的螺距跳变方式,得到输出功率和效率的变化趋势,从中选取满足设计指标的最佳方案。结果表明,采用螺距负-正-负跳变方式时,各项指标性能最好,此时工作电压为9930V,电流为88mA,工作频带内的增益在50dB以上,输出功率和电子效率分别超过170W和19%。2.为了使Ka波段螺旋线行波管获得较宽的工作带宽,在该行波管中采用了矩形金属-介质焊接一体夹持杆,通过计算获得了Ka频段螺旋线行波管慢波结构及输能装置的设计方案。使用ORION软件对该行波管进行了注-波互作用仿真,分别讨论了螺距跳变、内径跳变以及二者同时跳变对功率、电子效率的影响。ORION模拟结果显示在26.50GHz频带内,增益高于42dB,输出功率和电子效率分别达260W和20%以上。并借助CST仿真软件进行粒子模拟来观察注-波互作用过程中的物理现象。3.对Ka波段矩形金属-介质夹持杆螺旋线行波管的慢波结构和输能装置开展了实验测试工作,重点探索了金属-介质焊接一体夹持杆的加工方法,进行了整管高频结构的加工及装配工作,并初步开展了传输特性的测试。目前的测试结果表明:在26.50GHz频段内驻波系数小于2.7,进一步的装管冷测工作正在进行中。

关键词：毫米波螺旋线行波管金属-介质焊接一体夹持杆注-波互作用高频特性

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6-18GHz小型化螺旋线行波管的设计

6-18GHz小型化螺旋线行波管的设计

作者：疏峰电子科技大学

学位级别：硕士

螺旋线行波管是一种最为常见的电真空器件,其有着宽频带、高增益和功率大等优点,被广泛使用在雷达、电子对抗以及通信等领域。应现代军事以及通信领域的需求,行波管越来越趋向小型化。本文设计了6-18GHz小型化螺旋线行波管,对慢波结构... 详细信息

螺旋线行波管是一种最为常见的电真空器件,其有着宽频带、高增益和功率大等优点,被广泛使用在雷达、电子对抗以及通信等领域。应现代军事以及通信领域的需求,行波管越来越趋向小型化。本文设计了6-18GHz小型化螺旋线行波管,对慢波结构、高频特性、注-波互作用和收集极进行了研究,并最终成功制管两只并完成了实验。论文内容如下:1.详细介绍了行波管的发展历程、基本结构以及行波管相关的理论,对接下来的行波管设计过程起到了很大的指导作用。2.在综合考虑加工难度以及项目指标的基础上,设计了慢波结构,该慢波结构采用T形夹持杆和扇形翼片加载。3.在6-18GHz频段内,运用电磁仿真软件对该慢波结构的高频特性(色散特性、耦合阻抗和衰减常数)进行了仿真优化,并且详细分析了螺距、翼片角度、翼片深度和夹持杆宽度对高频特性的影响。4.针对项目的需求,设计了两套方案,方案1采用螺距负正跳变、均匀磁场以及梯形衰减,方案2采用螺距负正正跳变、磁场跳变以及梯形衰减。最后运用乌克兰仿真软件对该两套方案进行了注-波互作用仿真计算,对两套方案进行分析可以得出如下结论:方案1的增益优于方案2,但是方案2二次谐波优于方案1;方案1在频率中间段的输出功率高于方案2,但是方案2的输出功率在低频段位和高频段都高于方案1。5.设计了该行波管的收集极,采用四级降压收集极,运用电磁仿真软件对收集极效率进行了仿真计算,仿真的结果表明频段内的收集极效率都在60%以上。6.成功对两只管子进行了实验,经过对两只管子实验结果分析可以知道:两只实验管子的增益除了6GHz以外都达到了满足项目指标的28dB以上,输出功率都达到了200W以上,总效率除了6GHz以外也都达到了要求的35%以上。对仿真结果和实验进行分析后可以得出如下结论:仿真计算的增益与实验结果几乎保持相同的趋势,仿真结果的输入功率也与实验用到的输入功率趋势一致,输出功率因为局部变化比较大,但总体上看,变化趋势比较接近,总体而言,实验结果验证了仿真结果的合理性。

关键词：螺旋线行波管慢波结构高频特性注-波互作用收集极

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V波段大功率螺旋线行波管的研究

V波段大功率螺旋线行波管的研究

作者：朱美玲电子科技大学

学位级别：硕士

螺旋线行波管因其频带宽、输出功率大,在电子对抗、卫星通讯等领域有着十分广阔的应用前景。随着工艺水平的提升,螺旋线行波管的工作频率提升到了V波段,V波段空间行波管在通讯中发挥着重要作用,因而研究V波段螺旋线行波管具备非常重要... 详细信息

螺旋线行波管因其频带宽、输出功率大,在电子对抗、卫星通讯等领域有着十分广阔的应用前景。随着工艺水平的提升,螺旋线行波管的工作频率提升到了V波段,V波段空间行波管在通讯中发挥着重要作用,因而研究V波段螺旋线行波管具备非常重要的意义。本文围绕V波段（52GHz～62GHz）螺旋线行波管开展研究,完成了互作用电路和电子光学系统的设计。V波段螺旋线行波管高频结构的研究。首先,研究了不同结构尺寸对高频特性的影响,根据设计目标,获得最优化的慢波结构参数。然后,采用ORION计算程序,进行互作用电路的设计,给出螺旋线行波管设计方案,其中,为了抑制振荡和提升功率,在设计中,采取了切断和集中衰减器技术。采用均匀螺距方案,行波管的输出功率和效率都未能达到预期设计目标,故采取螺距跳变技术,从仿真结果可以得出,在电压为14800V,电流为100m A时,饱和输出功率在工作频带内最小为282.5W,电子效率最小为19%,增益最小为43.8d B。为了直观的研究行波管中的返波振荡,利用CST PIC模块对设计的行波管进行了粒子仿真,从计算结果看出,管子稳定工作无振荡。V波段螺旋线行波管电子光学系统的研究。首先在CST中设计了与V波段螺旋线行波管配套使用的电子枪,先由迭代综合法所编写的计算程序得到其结构尺寸的理论值,再设置参数扫描,优化结构参数,最终设计出了一个满足设计指标的圆形注电子枪。然后基于电压、电流等参数的基础上,初步对PPM聚焦系统进行研究设计。根据PPM结构参数的计算方法,可以得到PPM聚焦系统的磁场周期和轴向磁场的理论值,再利用CST软件进行优化。最后将优化好的圆形注电子枪和周期磁聚焦系统实行联合仿真,电子束流通率为100%。新型正弦波导行波管的研究。基于传统正弦波导慢波结构,提出一种双通道正弦波导慢波结构。在慢波结构尺寸基本相同的情况下,在CST和HFSS软件中分别计算两个慢波结构的高频特性,计算结果表明,双通道正弦波导慢波结构具有更高的耦合阻抗以及更高的工作频带。此外,PIC仿真结果表明,在相同的工作电压下,与传统正弦波导行波管相比,双通道正弦波导行波管的最大输出功率提升了113%,输出功率和增益带宽得到了明显改善。本文完成了V波段螺旋线行波管的设计,采用螺距负跳变两次的方案后,输出功率提升至282.5W,并且该管56GHz处的输出功率最大为301W,实现了大功率的输出。本文还对电子枪和聚焦系统展开了研究,最终设计出了一把电压为14800V、电流为100mA、注腰半径为0.07mm的圆形注电子枪,对该把电子枪和周期磁聚焦系统进行联合仿真,电子束流通率为100%,实现了电子束在整个行波管内的良好传输。最后提出了一种可工作在太赫兹频段的双通道正弦波导慢波结构,在结构尺寸和工作电压相同的前提下,新结构具有更高的输出功率,并且最大可达405W,因此,在太赫兹频段上,双通道正弦波导行波管具有显著优势。

关键词： V波段螺旋线行波管互作用电路电子光学系统双通道正弦波导

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6-18GHz大功率螺旋线行波管的研究

6-18GHz大功率螺旋线行波管的研究

作者：张文斌电子科技大学

学位级别：硕士

螺旋线行波管不仅能提供大功率输出,且工作频带较宽,增益较大,在现代军事及通信装备中,应用较为广泛。展宽带宽和增大输出功率是螺旋线行波管发展的方向。本文就6-18GHz大功率螺旋线行波管展开研究,旨在二倍频程范围内实现大功率输出。... 详细信息

螺旋线行波管不仅能提供大功率输出,且工作频带较宽,增益较大,在现代军事及通信装备中,应用较为广泛。展宽带宽和增大输出功率是螺旋线行波管发展的方向。本文就6-18GHz大功率螺旋线行波管展开研究,旨在二倍频程范围内实现大功率输出。为了展宽带宽,设计了一种夹持杆中加载金属块的螺旋线慢波结构,研究其高频特性,确定整管模型,并对注-波互作用进行分析。除此之外,设计了相对应的输入输出结构和周期永磁聚焦系统。本文的主要工作如下:1.使用HFSS软件完成了6-18GHz螺旋线行波管慢波结构的设计。首先介绍了一些常用的螺旋线慢波结构,在此基础上,研究了一种夹持杆中加载金属块的慢波结构,分析了各个尺寸参数对高频特性的影响,并确定该慢波结构的具体尺寸。2.开展6-18GHz的螺旋线行波管注-波互作用仿真计算。由于所设计的螺旋线行波管工作带宽较宽,且要求大功率输出,为抑制可能出现的返波振荡和二次谐波,设计整管结构为螺旋线螺距、内半径渐变和跳变,并在合适位置添加了衰减和截断。在工作电压为15.3KV,工作电流为2.1A,通道半径为0.67mm,电子注填充比为50%等条件下,仿真结果表明,除6GHz频点,其余频点均获得大于5k W的脉冲功率,且在低频段处,二次谐波得到抑制。3.利用三维仿真软件CST设计了和螺旋线行波管相匹配的输入输出结构。对于该6-18GHz螺旋线行波管,输入端采用同轴型结构,包括同轴线阻抗变换和同轴输能窗两部分。输出端采用同轴转双脊波导结构,其同样包括两部分,分别为双脊波导输出端和双脊波导输能窗。结果显示,所设计的输能结构与慢波电路匹配良好。最后,进一步仿真优化了一支4-18GHz螺旋线行波管的输出结构。4.设计周期永磁聚焦系统。根据相关理论推导,计算出所需的PPM聚焦系统的磁场峰值和周期长度,并建模仿真,验证所设计的周期永磁聚焦系统的合理性。

关键词：螺旋线行波管高频特性二次谐波输能结构周期永磁聚焦系统