蓝永海[1]2003年在《同轴螺旋槽慢波系统的研究》文中研究说明人们一直寻求具有宽频带、大功率、弱色散的行波管慢波系统，对它的研究可追溯到20世纪50年代。由于在军事和民用上的广阔应用前景，吸引了一批学者从事研究，特别是近年来，得到了长足的发展。同轴螺旋槽慢波系统具有全金属结构，有大尺寸、散热性能好的特点。由于其采用同轴结构，不具有低截止频率，因此可能是一种能够同时满足高功率容量和较宽带宽要求的慢波结构。论文中提出了自己的理论分析方法，对同轴螺旋槽慢波系统（包括矩形螺旋槽和加脊螺旋槽）的高频特性进行了分析；制作了同轴矩形螺旋槽的冷测模型，对其色散特性进行了测试。建立了其小信号和大信号理论，并利用计算机编程模拟计算分析，得出了带宽、效率、功率和尺寸之间的关系，从而提出对新型慢波线的改进和设计依据，发现拓宽带宽和提高功率的途径。本论文的主要工作和贡献在于：一、采用严格的场论的方法，得到同轴矩形螺旋槽慢波系统色散方程和平均耦合阻抗的表达式，并通过模拟数值计算，详细研究了系统结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响。二、引用具有环形电子注的平衡态模型,通过场匹配方法，建立了同轴矩形螺旋槽慢波系统中注波互作用自洽场理论，得到了此结构在小信号条件下的热色散方程。通过数值计算，分析了电子注参数与色散和增益的关系。叁、在国内外首次提出了同轴脊加载螺旋槽系统，采用场论的方法，得到了其色散方程和耦合阻抗的表达式，并通过数值模拟计算，给出了系统结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响结果。四、分析了同轴脊加载螺旋槽系统的注波互作用的线性理论，得到了此结构在小信号条件下的热色散方程。通过数值模拟计算，研究了电子注参数与色散和增益的关系。五、参照田炳耕的圆盘模型，创造性地建立了环盘模型，以等效电路为基础，推导出同轴螺旋槽行波管非线性工作方程组，然后对同轴矩形螺旋槽行波<WP=8>管进行计算机模拟，分析了高频电压、电子相位沿纵向距离的变化规律，计算出饱和增益、注波互作用效率等参数。六、采用谐振法对同轴矩形螺旋槽慢波系统进行色散特性的实验研究，实验数据对理论结果进行了验证,两者几乎完全一致
夏勇俊[2]2002年在《具有中心导体轴的螺旋槽慢波系统及注—波互作用的研究》文中认为慢波系统作为行波管注波互相作用以激励微波能量的核心部件，它的优劣直接决定了行波管的性能。本论文从理论研究和数值计算两方面对一类新型的具有中心导体轴的矩形螺旋槽慢波系统以及我们提出具有中心导体轴的任意槽形螺旋槽慢波系统进行了深入的研究。主要工作成果和创新点在于： 1．对具有中心导体轴的矩形螺旋槽慢波系统的高频特性进行了理论研究： (1)在冷系统中的研究结果表明：频率较低时，槽深的改变对相速的影响不是很大，随着频率的增大相速略有减小，同时带宽也有所减小，色散变得稍强，耦合阻抗增大。槽口宽增大相速减小较多，频宽几乎没有什么变化，耦合阻抗增大。轴半径增大，相速明显减小，频宽有一定程度的增加，色散减弱，耦合阻抗值降低。 (2)我们用线性理论模型研究了具有中心导体轴的矩形螺旋槽行波管内的注-波互作用特性，对电子注参量对小信号增益和带宽的影响进行了分析。得出的主要结论为：电流和电子注半径的增大使得该结构的行波管的增益有较大增加，电压的降低可使增益加大但带宽减小。因此，合理选择慢波结构几何尺寸和电子注参数，具有中心导体轴螺旋槽行波管的相对工作带宽可以达到30—40％。槽深不能太浅，槽口宽应该适当取大些，中心互作用空间不宜太窄。 2．首次对具有中心导体轴的任意槽形螺旋槽结构的普遍理论进行了研究，通过以多层矩形阶梯来近似代替任意形状槽的边界的方法，同时对导纳的递推关系进行了详细的推导。它可以适用于边界光滑或有突变的任何形状槽的分析。 3．采用近似场论的方法，获得了一种分析任意槽形螺旋槽结构的普遍理论。首次提出了具有中心导体轴的任意形状螺旋槽慢波结构的色散方程和耦合阻抗表达式；并在这些理论的基础上通过数值计算详细研究了槽形状对螺旋槽慢波系统高频特性的影响。结论为： 中文摘要 （1）适当槽深情况下，槽形状对高截止频率影响较大；槽形状从叁角形 变化到余弦形直到燕尾形，高截止频率依次降低。 门）当槽的深度较浅时，叁角形螺旋槽的频带宽度最大，且色散最弱， 波的相速最大。 （3）具有相同槽日宽度的燕尾形螺旋槽结构在槽深度较深情况下用作大 功率行波管的互作用系统具有最大的耦合阻抗和最低的相速。4．采用近似自洽场论的方法，首次得到了适用于分析不同螺旋槽结构的 统一的“热”色散方程。进而进行的数值计算表明，各种不同形状的槽 结构其最大增益和带宽差异较大。通过改变各种槽的结构参数，可以找 到具有最好的符合设计需求的慢波结构。
刘洪涛[3]2006年在《任意槽形螺旋槽及具有中心介质棒的螺旋槽慢波特性研究》文中提出行波管中的慢波结构作为行波管的一个核心部件,它的性能的优劣直接决定着行波管的整体性能。因此,寻找新型的慢波结构以改善行波管宽带特性、提高工作频率和功率容量是慢波结构研究的重点和方向。本论文对螺旋槽慢波系统的新结构——任意槽形螺旋槽及中心加介质棒的任意槽形螺旋槽进行了深入的研究,推导了这些慢波结构的色散方程和耦合阻抗表达式。通过数值计算,获得了此类慢波结构的色散特性和耦合阻抗随结构几何尺寸和介质参数的变化规律;在此基础上,建立了任意槽形螺旋槽及中心加介质棒的任意槽形螺旋槽行波管的注-波互作用线性理论,并编制程序,计算了管子的小信号增益、带宽、电磁慢波的“热”相速与电子注参数、结构参数之间的关系,获得了增加带宽或增益的途径。主要工作成果和创新之处在于:1.通过考虑高次模式的影响,获得了一种更为精确分析任意槽形螺旋槽结构的普遍理论,经与实验测量值比较,发现它更能准确可靠地描述此类螺旋慢波结构的高频特性,然后详细研究了五种槽形状(叁角形槽、余弦形槽、梯形槽、矩形槽和燕尾形槽)对螺旋槽慢波系统导波特性的影响。结论为: (1)槽深较大情况下,槽形状对截至频率影响较大,槽形状从叁角形变化到燕尾形,截至频率依次降低。(2)当槽的深度较浅时,叁角形螺旋槽的通频范围最大,且色散最弱,其中波的相速和群速最大。(3)燕尾形螺旋槽结构在槽深度较深情况下用作大功率行波管的互作用系统相速最小、耦合阻抗最大。2.从自洽场论的角度出发,利用边界条件以及电子注表面的场的连续和阶跃条件获得任意槽形螺旋槽慢波结构的注-波互作用线性理论,然后同样选取五种槽形状(叁角形槽、余弦形槽、梯形槽、矩形槽和燕尾形槽)进行研究: (1)在槽深较大时,结构参数(即槽的内、外半径,周期和槽口宽),电流和电子注半径相同的条件下,从叁角形到余弦形一直到燕尾形螺旋槽,即随着槽横截面积的增大,工作频率依次降低,小信号增益逐渐增大。(2)提高电子注电流、增加电子注半径以及选择合适槽结构参数既可以提高小信号增益同时又能展宽频带。
王文祥, 余国芬, 宫玉彬[4]1995年在《行波管慢波系统的新进展──全金属慢波结构》文中进行了进一步梳理作为大功率、中等带宽行波管用慢波线，全金属慢波系统具有突出的优越性，尤其适合在毫米波行波管中应用。本文论述了各种新型全金属慢波结构的发展动态，着重介绍了螺旋槽慢波线的基本理论，提出了在我国开展这一领域研究的必要性。
滕军[5]2008年在《倒同轴膜片加载圆波导高频特性研究》文中指出行波管的慢波系统是行波管的一个核心部件,它的性能优劣直接决定了行波管的整体性能。寻求新型慢波结构的主要困难来自于系统开敞性与封闭性的矛盾。减弱色散、增加带宽要求结构在一定尺寸范围内增加开敞性;反之,改善热耗散,提高功率容量,则希望结构具有金属封闭性。本论文旨在传统膜片加载波导理论分析的基础上,寻求一种在相对较宽的频带内获得大功率的系统。在同轴导体系统的内导体上,周期地加载膜片可构成一种慢波结构,我们称之为倒同轴高频结构,它具有频带宽,加工方便等特点;这是一种封闭性结构,为了进一步提高性能,如果在外导体上开缝隙,将构成一种开放式倒同轴高频系统。本论文就针对封闭型倒同轴膜片加载结构以及开放式倒同轴系统进行研究,得出它们的色散方程和耦合阻抗表达式以及注-波互作用“热”色散方程,并通过数值模拟进行了大量计算,得出一些有意义的结论。主要研究工作和创新点如下:1、分析了倒同轴矩形槽膜片加载圆波导结构的高频特性。用场论的方法分析了矩形倒同轴圆波导系统中的场,同时考虑快波和慢波,利用加载区的场匹配条件以及中心互作用区与加载区的场匹配条件,获得矩形倒同轴圆波导结构的色散方程.利用该色散方程得出的色散特性与HFSS仿真软件模拟结果良好符合.通过数值计算分析了不同结构参数对色散特性影响。分析了内导体加载槽深度和加载模片宽度对色散特性和耦合阻抗的影响。2、对倒同轴矩形槽膜片加载圆波导结构的注-波互作用线性理论进行研究。采用场论的方法,得到了小信号条件下的“热”色散方程。考察了电压,电流及电子注半径对增益和带宽影响,并分析了加载膜片深度和模片宽度对增益的影响。3、获得了倒同轴任意形槽膜片加载慢波结构统一形式的色散方程和耦合阻抗表达式,在此基础上,研究了不同膜片加载形状对此慢波系统特性的影响。4、研究了开放式倒同轴膜片加载圆波导结构系统。分别得出缝隙区、中心区和膜片加载载区的场表达式,并利用各区交界面的场匹配条件,获得了开放式倒同轴膜片加载圆波导结构的色散方程;同时,对此结构中填充电子注时的注-波互作用线性理论进行了研究,推导出了小信号条件下的“热”色散方程。
岳玲娜[6]2005年在《同轴加载圆波导慢波系统的研究》文中进行了进一步梳理现代军事技术的需求为高功率微波的发展提供了良好的环境，高功率微波源作为高功率微波的重要研究领域也迅速发展起来。而高功率微波源的核心部件是电子注与波进行互作用的场所，对行波管而言即为慢波系统，它的优劣直接影响高功率微波源的性能。全金属慢波结构因其尺寸大、热耗散能力强、整体性能好等优点被广泛应用于宽带、大功率行波管和相对论行波管中，而膜片周期加载慢波系统正是全金属结构中最重要、应用最广泛的一大类结构。本文在传统膜片加载慢波系统的基础上，提出了一类新型的同轴膜片周期加载慢波结构，从理论分析、数值模拟及实验验证几个方面对其进行了全面深入的研究。本论文主要的工作成果为： 一、首次提出一类同轴阶梯形膜片加载慢波系统，利用严格的场匹配法，推导出色散方程和耦合阻抗的表达式。色散方程表达式可以作为一种通用形式用来研究同轴或非同轴的脊加载和普通膜片加载结构。通过数值计算，不仅比较了不同形式加载结构的色散特性差别，还详细研究了结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响。和同轴脊加载以及普通膜片加载结构相比，同轴阶梯形加载结构的带宽最宽。 二、利用具有环形电子注的平衡态模型，通过场匹配法，建立了同轴阶梯形膜片加载慢波系统的注波互作用自洽场理论，得到了此结构在小信号条件下的热色散方程。数值分析了结构参数和电子注参数对增益和色散的影响，该结构的3dB带宽可达30％，从而为相对论行波管发现了一种新型的宽带大功率慢波结构。 叁、提出了分析任意槽形膜片加载慢波结构的一种普遍分析方法，它用一系列矩形阶梯来近似槽区的边界。这一方法适合于分析任何膜片边界或膜片间的槽边界光滑或有较大突变的结构，因此也可用来分析同轴阶梯形膜片加载波导。利用此法获得了同轴任意槽形膜片加载结构的普遍色散方程和耦合阻抗表达式。通过数值运算得到了系统结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响，并比较了五种特殊形状槽形膜片加载结构的高频特性，相同尺寸下叁角形槽的带宽最宽，但耦合阻抗最低。 四、分析了同轴任意槽形膜片加载圆波导的注波互作用的线性理论，得到了
王文祥, 宫玉彬, 魏彦玉, 余国芬, 赵国庆[7]2002年在《大功率行波管新型慢波线技术的进展》文中研究指明全金属慢波结构由于具有热耗散能力强 ,功率容量大 ,比耦合腔慢波线带宽宽 ,结构整体性好 ,尺寸大等一系列优点而备受人们关注。本文着重介绍了螺旋槽、环板、曲折波导及周期加载波导四类结构的发展现状 ,包括理论研究与实际应用情况 ,探讨了新型慢波线在技术上存在的问题及今后的努力方向 ,指出全金属慢波结构将在毫米波行波管、返波管、毫米波回旋行波管及相对论器件等方面得到广泛应用
杨小燕[8]2013年在《Ka波段新型曲折双脊行波管的研究》文中研究指明毫米波行波管具有波长短、频带宽、波束窄、受气候因素影响小等特点，其在军事和国民经济中具有广泛的用途。慢波系统作为行波管中注-波互作用的核心部件，其性能直接决定了行波管的发展水平。传统的螺旋线行波管具有很宽的带宽，但是其功率容量很小，而耦合腔行波管虽然功率容量大但是带宽却非常窄。而曲折双脊波导作为一种新型慢波结构，具有良好的带宽，但是其耦合阻抗较低，从而限制了微波能量的放大。基于Ka波段曲折双脊波导行波管的研究，本论文研究了两种新型的曲折双脊波导行波管，对它们的色散特性和耦合阻抗特性进行了模拟，并用叁维粒子模拟软件CST对这两种新型行波管的大信号注-波互作用过程进行了模拟分析，得出他们的耦合阻抗比同尺寸常规曲折双脊波导高，而且保留了曲折双脊波导宽带宽的优点。同时电子效率和增益也更高。另外，为进一步提高行波管的输出功率，本文在曲折双脊波导的基础上，考虑利用带状电子注代替传统的圆形电子注参与注－波互作用过程，完成了对Ka波段带状注新型曲折双脊波导行波管的模拟研究。本文以Ka波段为例进行了研究。1.曲折双脊波导。描述了此种慢波结构的高频特性理论，利用HFSS高频仿真软件进行模拟后，得到了其色散曲线和耦合阻抗曲线，并研究了各结构尺寸对其高频特性的影响。2.单槽加载曲折双脊波导。通过模拟比较，它在Ka波段33GHz附近输出功率比常规曲折双脊波导高，且增益和电子效率也更高，其3-dB增益带宽约为6GHz，在29-39GHz频段内输出功率达50W以上。另外，相比于常规结构，该槽加载曲折双脊波导行波管达到饱和时所需的注-波互作用距离更短。3.双槽加载曲折双脊波导。以Ka波段32GHz为中心频率时，和常规曲折双脊波导相比，该结构具有极其平坦的色散曲线及更高的耦合阻抗，因而它可以获得更高的连续波输出功率和电子效率。利用CST仿真软件模拟，与单槽加载曲折双脊波导慢波结构相比，在相同慢波结构长度条件下，要得到相同的功率输出，本节研究的双槽加载曲折双脊波导行波管仅需要较低的电子注电压。因此可以降低加在电子枪上的电压。但是，该结构的3-dB增益带宽约为4.5GHz,相比于单槽加载曲折双脊慢波结构有所变窄。可见，槽加载波导是以降低带宽为代价来获取较高的输出功率。由上可知，在研制小型化、高功率毫米波行波管方面，这种槽加载曲折双脊波导行波管具有很好的发展潜力。
滕雁[9]2010年在《高效同轴相对论返波管研究》文中研究说明采用同轴相对论返波管(CRBWO)是提高高功率微波(HPM)输出效率的有效技术手段。本文通过理论研究、工程工艺研究和实验研究,对同轴相对论返波管进行了系统性研究,证明其在提高输出效率方面的优势和可行性。理论研究表明,同轴慢波结构(SWS)谐振性较好,参加波束作用的纵向模式范围比常规空心慢波结构宽,因而起振较快,起振过程受模式竞争干扰严重。在400 keV ~ 800 keV范围内,起振电流随电子动能升高而增大。波束作用研究发现,较之常规空心相对论返波管,同轴相对论返波管的场分布更有利于波束作用,并且通过合理选择慢波结构两端反射,预测输出效率接近40%。设计方案根据波束作用有效程度和所需工作频率,合理选择结构参数并优化设计两端反射。器件工作在准TEM模式前向波区域,输出频率7.33 GHz,位于近π模式。在二极管电压和电流为508 kV和3.97 kA时,输入功率2.02 GW,输出功率754 MW,输出效率37%。场分布研究表明,器件内部场强最大点在输出功率达到GW量级时约为1.4 MV/cm,极易导致二级电子发射和表面击穿。为提高功率容量,对器件进行一系列表面处理,并采用无油真空。为了保证良好的同轴度,设计了结构精密的环形支撑。并根据同轴相对论返波管狭缝阳极的特点,设计了更有利电子束流预调制的反射腔,将转换效率提高到43%。实验采用在线探针和量热计进行测量诊断。同轴探针在7.40±0.10 GHz范围内耦合度标定曲线很平坦,中心频率7.4 GHz时耦合度为κ= -42.15dB。全吸收量热计吸收效率大于98%,且受频率影响不大;入射功率GW量级时表面最大场强降低至38 kV/cm。实验研究中得到的结构参数对输出的影响规律与数值模拟规律符合很好。当器件工作在最佳状态时,二级管电压和电流分别为498 kV和4.28 kA时,电子束流脉宽28 ns,输出功率733 MW,输出效率34.4%,微波脉宽20 ns,频率7.40 GHz,与数值模拟结果符合很好。实验发现经过提高功率容量的措施,输出幅度升高,脉宽增加。估算得到表面镀有氮化钛的同轴相对论返波管器件,当表面场强超过1.2 MV/cm时有可能引起表面场致发射。
徐翱[10]2009年在《变周期慢波系统的研究》文中研究表明慢波系统是行波管的重要组成部分之一。由于行波管的工作依赖于电子注与线路行波场之间的相互作用而完成，所以沿轴向传输的行波场应与电子注有近乎相同的速度，而且该速度应该远比光速小。产生这些沿轴向传输的且相速远比光速小的行波场的电路称为慢波系统(或慢波电路)，若这些慢波系统的结构具有周期性，则称为周期慢波系统。但是，由于在慢波系统中电子注与线路行波场之间的能量交换属于动能与电磁场能的交换，所以，当电子注将其相当一部分动能交给行波场后，电子注的平均速度将会变慢，而当电子注的平均速度变慢到与电磁波的相速相等，甚至小于电磁波的相速时，则电子注与该电磁波就不能再继续维持同步状态，也就使得电子注与行波场不能再继续进行有效的正向能量转换，甚至会发生反向能量转换，即电子注又从行波场吸取能量。所以，慢波系统中的电子注与电磁波的同步问题是限制行波管的效率的根本原因之一。由对这一物理机理的分析可以想到，如果能设法保持电子注与电磁波在整个互作用过程中一直同步，那么，行波管的效率必然能得到显着改善。而从上面的分析可以发现，要保持电子注与电磁波在整个互作用过程中一直同步不外乎两种方法：一种方法是使慢波系统中的电磁波的相速随着轴向传播距离的增加而逐渐减小；另一种方法则是设法使电子注在慢波系统中行进一段距离后，其动能可以得到附加场的补充，从而使得其平均速度增大，恢复与电磁波的同步。前一种方法称为相速渐变；后一种方法则称为电压跳变。本论文所采用的变周期的方法正是相速渐变的一种。本论文以折迭波导慢波系统为具体研究对象，研究内容包括变周期折迭波导内的空间谐波的分析，叁段周期跳变折迭波导和变周期折迭波导选择空间谐波的分析，不均匀折迭波导的同步问题的研究，变周期折迭波导的同步问题的研究，再通过电磁仿真软件和粒子模拟软件验证所得出的结论。本文的组织结构为：第一章为绪论，介绍了研究的背景，微波真空电子器件的发展趋势，相位聚焦的概念等，并阐明了论文的研究意义和范围。第二章分析了叁段周期跳变折迭波导和变周期折迭波导的空间谐波的选择性，并分别推导了能够实现选择空间谐波的叁段周期跳变折迭波导和变周期折迭波导应该满足的条件。第叁章提出了不均匀折迭波导内若存在一次空间谐波能够与电子注在整个互作用过程中一直同步，那么它应该满足的条件，并分析了其结构尺寸的变化对耦合阻抗的影响，然后利用电磁仿真软件HFSS的模拟结果验证了该条件，最后利用粒子模拟软件MAGIC研究了这种结构对输出功率和互作用效率的影响。第四章分析了变周期慢波系统的空间谐波的情况，讨论了利用变周期慢波结构来保持电子注与电磁波在整个互作用过程中一直同步的问题，并探讨了其物理意义。第五章分析了变周期折迭波导内的空间谐波，并推导了若能使变周期折迭波导内有一次空间谐波在整个互作用过程中与电子注一直同步，那么该结构应该满足的条件，并通过电磁仿真软件HFSS验证了所得出的条件，最后利用粒子模拟软件MAGIC分析了各种变周期折迭波导的输出功率与互作用效率的提高情况。第六章是总结。
参考文献：
[1]. 同轴螺旋槽慢波系统的研究[D]. 蓝永海. 电子科技大学. 2003
[2]. 具有中心导体轴的螺旋槽慢波系统及注—波互作用的研究[D]. 夏勇俊. 电子科技大学. 2002
[3]. 任意槽形螺旋槽及具有中心介质棒的螺旋槽慢波特性研究[D]. 刘洪涛. 电子科技大学. 2006
[4]. 行波管慢波系统的新进展──全金属慢波结构[J]. 王文祥, 余国芬, 宫玉彬. 真空电子技术. 1995
[5]. 倒同轴膜片加载圆波导高频特性研究[D]. 滕军. 电子科技大学. 2008
[6]. 同轴加载圆波导慢波系统的研究[D]. 岳玲娜. 电子科技大学. 2005
[7]. 大功率行波管新型慢波线技术的进展[J]. 王文祥, 宫玉彬, 魏彦玉, 余国芬, 赵国庆. 真空电子技术. 2002
[8]. Ka波段新型曲折双脊行波管的研究[D]. 杨小燕. 电子科技大学. 2013
[9]. 高效同轴相对论返波管研究[D]. 滕雁. 清华大学. 2010
[10]. 变周期慢波系统的研究[D]. 徐翱. 电子科技大学. 2009
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