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宽带大功率行波管高频慢波系统CAD研究

作　者: 雷文强
导　师: 杨中海
学　校: 电子科技大学
专　业: 物理电子学
关键词: 微波管CAD技术计算机模拟方法螺旋慢波系统计算收敛性特殊翼片加载固化解析理论公式耦合腔慢波系统
分类号: TN124
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 308次
引　用: 7次
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内容摘要

现代电子战、超宽频带高功率相控阵雷达、强力干扰机、微波定向能武器等的快速发展对高功率微波源提出了更高的要求。宽频带高功率器件成为主要的研究对象。螺旋线行波管是一种集高增益、宽频带、高效率、大功率的微波／毫米波功率放大器，广泛应用于通信、雷达、电子对抗等现代军事电子装备中。由于螺旋慢波系统的理论研究存在某些假设处理条件，许多加载结构又千变万化，国内外许多研究学者寻求使用计算机模拟方法对其进行研究，随着计算机软硬技术的发展，使得这一研究已经成为新的研究方向。然而计算机模拟的计算时间很长，也不容易掌握，国内一些学者提出了使用自主编制软件指导微波管设计的方法，于是微波管CAD技术成为新的研究方向。本论文正是在“微波管CAD技术”课题方向下的一项子课题，对行波管中的高频慢波系统进行了分析，提出了将计算机模拟、实验测试和解析理论相互结合的计算方法，并运用Microsoft Visual C++6.0软件编制进“宽带大功率行波管CAD集成环境”的高频计算模块中，对实际工程的应用和推广有一定的指导意义。本论文的主要工作和创新在于：一、在翼片有限厚度模型的基础上，根据扇形波导的场表达式，在翼片处参考了脊加载环板慢波结构的边界条件，运用场匹配方法，本文重新推导得到了扇形翼片加载螺旋慢波结构的色散特性方程。在色散特性方程的基础上，根据翼片的实际分布，推导得到了扇形翼片加载螺旋慢波结构的耦合阻抗方程和衰减常数方程。二、在扇形翼片加载螺旋慢波结构高频特性方程求解方法的基础上，本文针对各种特殊翼片的实际分布，提出了一种翼片区域的等效处理方法，由此推导得到了一些在生产实际中广泛使用的特殊翼片的高频特性方程，如U型翼片、Y型翼片、齿型翼片和T型翼片，为特殊翼片加载的理论计算和行波管的实际设计生产提供了理论基础。三、由于理论推导过程中存在一些假设条件，造成理论计算难免有一些误差，因此本文在MAFIA模拟计算结果基础上，提出一种根据模拟结果对理论计算结果进行修正的方法，将模拟计算的研究成果与解析理论的研究方法进行有机的结合，不仅提高了慢波特性的理论计算精度，也将模拟计算的结果甚至可以是实验测试数据固化到解析理论公式中，使得解析理论随着实践过程而不断完善，并将修正后的理论计算公式运用MicroS。ft Visua1C十十6.0软件编制进“宽带大功率行波管CAD集成环境”的高频计算模块中，便于工厂的实际推广使用。四、比较有限积分法(F工T)与有限元(FEM)方法在高频腔模拟计算上的理论，并分别使用了MAFIA软件，ANSYS软件和HFSS软件对两类高频谐振腔进行了模拟计算，在计算精度和计算时间上进行了比较，证明了两种方法都可适用于高频计算的结论。五、运用MAFIA软件对螺旋慢波高频结构进行模拟计算时，首次提出了运用CAD软件PROE生成全三维模型一螺旋线的过程，并将其STL文件导入到MAFIA软件中，为三维模拟计算打下了准确的模型基础，由此提高了三维模拟计算的计算精度。六、提出了运用MAFIA软件对螺旋慢波系统的色散特性进行模拟计算的方法，首次在不同坐标系统和不同模拟方法下进行比较模拟得到的计算结果，并与实验测试值进行对比取得了较好的一致，证明了MAFIA软件提供的准周期边界条件方法可以用来进行慢波结构高频色散特性的模拟。在此基础上，提出了三种模拟计算螺旋慢波系统藕合阻抗的方法，并与实验结果作比较取得了较好的一致。七、首次运用 MAFIA软件和HFSS软件对螺旋慢波系统的色散高频特性模拟计算的收敛性进行了验证，得到了在一定网格范围内计算结果逐步收敛的结论，说明在此基础上的计算结果是可靠的，可以用来指导实际行波管的设计，为国内开展慢波结构的模拟计算打下了坚实的基础。八、运用MAF工A软件对祸合腔慢波系统的高频特性进行了模拟计算，运用谐振法对色散特性进行模拟，提出了两种模拟藕合腔慢波系统祸合阻抗的计算方法，将“冷腔”模拟结果导入到MAFIA粒子模拟模块对“热腔”中的注波互作用进行了定性分析。本章提出的模拟方法为软件模拟在藕合腔慢波系统的运用做了一些探索性的研究。电子科技大学博士论文九、实验设计过程中加工了一段宽扇形翼片加载螺旋慢波系统，对这种慢波系统的色散特性运用谐振法进行了实验研究，实验结果与理论计算结果和模拟计算结果比较接近，证明了本文提出的翼片加载慢波结构的色散特性方程的求解方法是比较准确的，也同时证明了本文提出的模拟计算方法是准确的。

全文目录

摘要  8-11
Abstract  11-15
第一章绪论  15-32
  1.1 行波管概述  15-18
  1.2 螺旋类及耦合腔类慢波结构的研究现状  18-23
  1.3 高频特性模拟的研究现状  23-26
  1.4 微波管CAD集成环境的研究现状  26-28
  1.5 本论文的主要工作与创新  28-30
  1.6 整个学位论文的组织  30-32
第二章特殊翼片加载螺旋慢波系统高频特性的理论分析  32-70
  2.1 引言  32-33
  2.2 宽翼片加载模型  33-44
    2.2.1 物理模型  33-35
    2.2.2 色散特性  35-38
    2.2.3 耦合阻抗  38-41
    2.2.4 衰减常数  41-44
  2.3 U型翼片加载模型  44-56
    2.3.1 物理模型  44-47
    2.3.2 色散特性  47-51
    2.3.3 耦合阻抗  51-53
    2.3.4 衰减常数  53-56
  2.4 T型翼片加载模型  56-68
    2.4.1 物理模型  56-59
    2.4.2 色散特性  59-64
    2.4.3 耦合阻抗  64-66
    2.4.4 衰减常数  66-68
  2.5 结论  68-70
第三章 FIT与FEM模拟高频特性的基本理论  70-82
  3.1 引言  70-71
  3.2 有限积分法  71-74
  3.3 有限元法  74-76
  3.4 软件数值模拟及分析  76-81
  3.5 结论  81-82
第四章螺旋慢波系统高频特性的冷测模拟  82-105
  4.1 引言  82-83
  4.2 色散特性模拟  83-87
    4.2.1 模拟方法  83-84
    4.2.2 螺旋慢波系统结构建模  84-86
    4.2.3 模拟结果与讨论  86-87
  4.3 模拟计算收敛性  87-98
    4.3.1 圆形夹持方式  88-91
    4.3.2 矩形夹持方式  91-93
    4.3.3 宽翼片加载方式  93-96
    4.3.4 模拟计算结果  96-98
  4.4 耦合阻抗模拟  98-103
    4.4.1 模拟方法  98-100
    4.4.2 模拟结果与讨论  100-103
  4.5 结论  103-105
第五章螺旋慢波系统高频特性的CAD研究  105-129
  5.1 引言  105
  5.2 基本修正流程  105-107
  5.3 高频模块计算流程  107-110
  5.4 计算结果与分析  110-128
    5.4.1 宽型翼片加载  110-115
    5.4.2 U型翼片加载  115-119
    5.4.3 Y型翼片与齿型翼片加载  119-125
    5.4.4 T型翼片加载  125-128
  5.5 结论  128-129
第六章耦合腔慢波系统高频特性的软件模拟  129-143
  6.1 引言  129-130
  6.2 耦合腔结构模型  130-131
  6.3 模拟方法  131-135
    6.3.1 色散特性  131-132
    6.3.2 耦合阻抗  132-134
    6.3.3 衰减常数  134-135
    6.3.4 注波互作用  135
  6.4 模拟结果与分析  135-142
    6.4.1 色散特性  136-138
    6.4.2 耦合阻抗  138-139
    6.4.3 衰减常数  139-140
    6.4.4 注波互作用  140-142
  6.5 结论  142-143
第七章高频慢波系统的冷测实验研究  143-152
  7.1 引言  143
  7.2 色散特性的测量原理  143-146
    7.2.1 谐振法  143-145
    7.2.2 行波法  145-146
  7.3 耦合阻抗的测量原理  146-147
  7.4 测量系统与仪器  147-148
  7.5 结果比较与分析  148-151
  7.6 结论  151-152
第八章结束语  152-155
参考文献  155-163
致谢  163-164
作者在攻读博士学位期间发表的主要论文  164-165

宽带大功率行波管高频慢波系统CAD研究

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