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新型曲折波导行波管的研究

作　者: 方天宇
导　师: 宫玉彬
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 曲折波导行波管新型曲折波导行波管加帽曲折波导矩形槽加载衰减纽扣
分类号: TN124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

曲折波导行波管因具有功率容量大,散热能力强,制造成本较低,结构牢固,工艺简单,工作稳定寿命较长等诸多优点,以在高功率微波领域内成为一颗广受关注的新星。各界对曲折波导的研究与应用也越来越深入。然而曲折波导行波管虽然较之耦合腔行波管有更简单的结构和加工工艺制成,但其耦合阻抗却比耦合腔行波管小。针对这一问题,本文提出两种结构改进方法以提高曲折波导行波管慢波线上注-波的耦合阻抗——加帽结构和矩形槽加载结构。该两种新结构分别基于工作于V波段的常规弯曲曲折波导行波管和工作于Ka波段的常规直角曲折波导行波管进行改进。通过“加帽”,缩小了绝对带宽的同时大幅增加了曲折波导行波管的耦合阻抗。新型行波管工作于60GHz中心频率的耦合阻抗较常规结构增加百分比近50%。本中详尽的通过计算机仿真软件分析了结构变化对色散、耦合阻抗和归一化相速的影响。并更进一步地深入分析和对比了常规曲折波导和新型结构曲折波导的注-波互作用。发现在保证工作条件相似的前提下,新结构较原结构的输出增益高出10dB,电子效率更是提到约8.3%。为对互作用效率有严格要求的卫星通信所使用的行波管放大器提供了一种十分有效的方案。之后本文又提出一结构——矩形槽加载直角曲折波导行波管。通过在直角曲折波导弯曲段内侧加载矩形槽,可以进一步有效提高曲折波导行波管注-波互作用的耦合阻抗。因为设计需求不同,曲折波导也可能产生设计者意愿之外的结果。比如,曲折波导产生某一频率的自激振荡,又比如需要抑制在特定曲折波导中存在的高次模如TE20模等。如果需要工作在高次模如TE20模,也可用此方法抑制基模TE10模。即需要抑制特定频率的电磁场能量,则可使用本文提出的又一种新型曲折波导结构改进设计——衰减纽扣。在曲折波导特定模式场强的最强处,将波导中的电磁场耦合进填充有衰减介质的谐振腔中。通过在该衰减纽扣中对特定频率点的电磁场谐振而达到衰减的目的。通过改变衰减纽扣的半径和长度可以有针对性改变需要衰减的电磁场的频率。使用计算机仿真软件模拟求得加载了衰减纽扣的曲折波导行波管的传输系数S21。传输系数曲线充分显示出:加载有衰减纽扣的曲折波导行波管,符合衰减纽扣谐振频率的电磁场几乎无法通过行波管。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-16
  1.1 行波管的发展历史  11-13
  1.2 曲折波导的结构  13
  1.3 国内外研究现状及发展态势  13-14
  1.4 常规曲折波导的劣势  14-16
第二章常规曲折波导行波管  16-23
  2.1 曲折波导行波管设计机理  16-22
    2.1.1 曲折波导慢波结构高频特性的理论分析  16-19
    2.1.2 曲折波导慢波结构高频特性的模拟分析  19-22
  2.2 曲折波导行波管注-波互作用的非线性模拟  22-23
第三章加帽曲折波导行波管  23-43
  3.1 引言  23
  3.2 V 波段常规结构曲折波导行波管  23-27
    3.2.1 常规结构的色散特性模拟  23-24
    3.2.2 常规结构的耦合阻抗模拟  24-25
    3.2.3 常规结构的归一化相速模拟  25-27
  3.3 V 波段加帽曲折波导行波管  27-32
    3.3.1 加帽曲折波导行波管的结构变化  27-28
    3.3.2 加帽曲折波导行波管的色散特性模拟  28-29
    3.3.3 加帽曲折波导行波管的耦合阻抗模拟  29-31
    3.3.4 加帽曲折波导行波管的归一化相速模拟  31-32
  3.4 V 波段常规和加帽曲折波导行波管的注-波互作用对比  32-38
    3.4.1 常规曲折波导行波管的注-波互作用  32-35
      3.4.1.1 输入输出比较、增益特性  34
      3.4.1.2 常规曲折波导输出信号频谱  34-35
    3.4.2 加帽曲折波导行波管的注-波互作用  35-38
      3.4.2.1 输入输出比较、增益特性  35-37
      3.4.2.2 加帽曲折波导输出信号频谱  37-38
  3.5 常规和加帽结构对比  38-42
    3.5.1 常规和加帽结构高频特性对比  38-41
    3.5.2 常规结构和加帽结构的电子效率对比  41-42
  3.6 本章小节  42-43
第四章矩形槽加载直角曲折波导  43-51
  4.1 引言  43
  4.2 Ka 波段常规直角曲折波导  43-48
    4.2.1 常规直角波导结构示意图  43-44
    4.2.2 常规结构尺寸对色散的影响模拟  44-45
    4.2.3 常规结构尺寸对耦合阻抗的影响模拟  45-46
    4.2.4 常规结构尺寸对归一化相速的影响模拟  46-48
  4.3 Ka 波段矩形槽加载直角曲折波导  48-50
    4.3.1 矩形槽尺寸对色散的影响模拟  48-49
    4.3.2 矩形槽尺寸对耦合阻抗的影响模拟  49-50
    4.3.3 矩形槽尺寸对归一化相速的影响模拟  50
  4.4 本章小结  50-51
第五章衰减纽扣加载曲折波导  51-60
  5.1 引言  51-52
    5.1.1 曲折波导真空腔内的场分布  51-52
    5.1.2 高次模高频场衰减方案的选择  52
  5.2 Ka 波段常规结构曲折波导行波管  52-54
    5.2.1 Ka 波段常规结构曲折波导行波管的物理模型和结构尺寸示意图  53-54
  5.3 Ka 波段衰减纽扣曲折波导行波管  54-59
    5.3.1 衰减纽扣曲折波导行波管的结构  54-55
    5.3.2 衰减纽扣中电磁场工作方式  55-56
    5.3.3 Ka 波段衰减纽扣曲折波导行波管的色散特性模拟计算  56-58
    5.3.4 衰减纽扣尺寸对色散的影响  58-59
    5.3.5 加载衰减纽扣的曲折波导行波管的传输参数  59
  5.4 本章小节  59-60
第六章总结和展望  60-62
致谢  62-63
参考文献  63-66
攻硕期间取得的研究成果  66-67

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