行波管慢波结构色散关系与数值计算研究

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1、摘要行波管自1946年问世以来，经历了五、六十年迅速发展，从实践中证明，它是一种占有重要地位的微波真空电子器件。在这半个多世纪的发展过程中，人们从原理、结构、工艺和材料等各方面进行了大盆的工作。与其他徽故真空电子器件(磁控管、速调管等)相比，行波管主要特点是宽频带、高增益、低噪声、结构简单性能提供各种满足实际需要的功率.在本文中，作者将推动行波管慢波结构的发展的主要方面总结为三点:计算机模拟技术、高频结构的创造性改进和等离子体填充技术的引入.围绕这些方面，分别就行波管慢波结构中较典型的几个计算和理论问题的研究进行论述。本文对多种行波

2、管慢波结构的色散特性和藕合阻抗进行了研究.利用德国CST公司的MicrowaveStudio(CSTMWS)软件既研究了休斯型祸合腔行波管本征场分布、色散关系和祸合阻抗，又对三种梯形祸合腔(串联式、单交错型和双交错型)的慢波结构进行了三维电磁场数值模拟，并分别给出了该结构的冷洲色徽特性、祸合阻抗及衰减等参数结果。既研究分析了填充等离子体对娜旋线行波管的色散特性和祸合阻抗的显著改进作用，又详细推导了相对论行波曹傲波结构中波纹波导填充背景等离子体的色散关系的各种公式。全文共分五章，下面我们将对各章逐一介绍.第一章首先从总体上介绍了近年来

3、计算机模拟技术对包括行波管在内的一般微波电子管设计的巨大推动作用，并概括了目前国内外所用的模拟计算软件和数值计算方法以及世界各国的徽波管CAD集成环状况.然后介绍了行波管高频慢波结构技术的主要发展成果，包括休斯型和梯形线辐合腔慢波结构以及litton慢波结构。最后，对当前世界研究热点问题等离子体填充技术对行彼管慢波结构的大幅改进进行简要评述，介绍了等离子体填充辐合腔行披管、Pasotro。和等离子体填充的螺旋线行波管等的国内外研究工作和成果.第二章借助于大型电磁分析软件CSTMWS模拟计算分析了3a.波段休斯祸合腔行波管的慢波结构色

4、散特性，利用本征模块模拟出了本征场三维电场分布，运用瞬态模块模拟计算了中心频率为10.017GHz处的三维电猫场教雌分布，并求解相关的色散关系和辐合阻抗。第__二众利用三维电班场程序CSTMWS及高频结构的场对称性计算模型，对毫米波行波管梯形高频慢波结构进行了场结构的数值模拟和设计研究，给出了该系统的冷测色散特性、藕合阻抗及衰减等参数结果.首先选用Huges公司试脸样管参数进行了模拟计算的校验，计算结果与Huges发表的侧试和理论分析结果完全吻合，甚至比理论分析的结果略好。然后利用程序分别分析计算了Ka波段的串联式、单交错及双交错结

5、构的梯形藕合腔色散特性、藕合阻抗及衰减系数等与频率的有关变化特性，并进行了比较。结果表明，采用单风)交错结构显著提高了藕合腔高频慢波系统的频率带宽度和祸合阻抗.第四章用线性理论研究了等离子体加载螺旋线慢波结构，分别推导了各个区域的电场磁场公式以及色散方程和祸合阻抗公式，用自己编写的Matlab程序计算了不同等离子体密度下的螺旋线色散关系和辐合阻抗，发现等离子体加载能明显提高螺旋线行波管互作用效率。第五章详细推导出等离子体填充的均匀波导色散方程和波纹波导中相对论行波管的冷色散方程和热色散方程，为下一步编制程序代码分析大功率相对论行波管

6、打下基础。关键词:行波管、慢波结构、休斯型藕合腔、梯形祸合腔、螺旋线、色散关系、藕合阻抗、等离子体、波纹波导AbstractTravelingWaveTube(TWT)hasbeenprovedtobeoneofthemostimportantmicrowavedevicessinceitwasbornin1946.Therehavebeengreatachievements恤itsprinciple,structure,technologyandmaterialinthepastyears.Incomparison俪山otherv

7、acuummicrowavedevices,itischaracterizedbywidefrequencybandr=W,highgain,lownoise.coefficient,simplestructureandTWTfamilycanprovideallkindsoftheoutputpoweraccordingtothefact.Inthispaper,theauthorsumupthedevelopmentoftheslow-wavestructureoftheTWTasthreemainparts:computers

8、imulation,changesofhighfrequencystructureandintroductionofabackgroundplasmafill.Dispersioncharacteristicsofslow-waves