耦合腔行波管切断负载的研究

论文总字数：21821字

摘 要

耦合腔行波管作为大功率放大器件被广泛运用于军事电子工业和民用行业，工作过程中产生的自激振荡问题会影响管子的稳定性。反射振荡是常见的一种自激振荡类型，可以采用切断负载来抑制反射振荡，但切断负载本身也要与慢波电路达到良好的匹配，否则可能会引起新的振荡。因此，研究慢波结构及切断负载的尺寸和材料参数对驻波比的影响有着重要的意义。

本文利用HFSS软件创建出腔片、腔环及切断负载物体模型，按照HFSS软件设计步骤一步步进行驻波比仿真。通过对腔片、腔环和负载瓷厚度进行参数扫描分析，研究不同参数下驻波比的变化，进行分析后选定的腔片厚度为3.5mm，腔环厚度为2mm，负载瓷厚度为1mm，此时慢波结构的驻波比可以满足工作频带内均小于1.3的要求，与未优化前相比驻波比得到了明显的改善。最后研究了负载瓷材料介电损耗正切与驻波比的关系，得出材料损耗正切大于0.1后，驻波比随着损耗正切的增大基本不变的结论。为设计耦合腔行波管的慢波结构和切断负载提供了参考价值。

关键词：耦合腔行波管，切断负载，驻波比，参数扫描分析

Abstract

As a high-power amplifier, coupled cavity traveling-wave tube is widely used in the military electronics industry and civil industry. The self-oscillation problem generated during the work will affect the stability of the tube. Reflection oscillation is a common type of self-oscillation.We can use the cut-off load to suppress the reflection oscillation. However, the cut-off load itself must be well matched with the slow-wave circuit, or it may cause new oscillation. Therefore, it is important to study the effect of the slow wave structure and the size and material parameters of cut-off load on the standing wave ratio.

In this paper, the HFSS software was used to create the object model of cavity, cavity ring and cut-off load.The standing wave ratio simulation was carried out step by step according to the design steps. Through the parameter scanning analysis of the thickness of cavity, cavity ring and load porcelain , the variation of standing wave ratio under different parameters was studied. After the analysis, the selected cavity thickness was 3.5mm, the cavity ring thickness was 2mm, and the load porcelain thickness was 1mm. At this time, the standing wave ratio of the slow-wave structure can meet the requirement of less than 1.3 in the operating frequency band, and the standing wave ratio was significantly improved compared with that before the optimization. Finally, the relationship between the dielectric loss tangent of the load ceramic material and the standing wave ratio was studied. It is concluded that the standing wave ratio is basically constant as the loss tangent increases after the material loss tangent is greater than 0.1. It provides reference for designing the slow-wave structure and the cut-off load.

KEY WORDS: coupled cavity traveling-wave tube，cut-off load，standing wave ratio，parameter scanning analysis

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1行波管的发展历史 1

1.2耦合腔行波管的基本结构和工作原理 3

1.3耦合腔行波管中的反射振荡及一般解决方法 5

1.4耦合腔行波管冷测特性的研究 7

1.5本文的研究目的和主要研究内容 8

第二章 实验软件及实验方法 9

2.1 HFSS软件简介 9

2.2实验方法 9

2.2.1物体模型的创建 9

2.2.2边界条件的设置 15

2.2.3激励方式的设置 16

2.2.4求解类型和求解设置 16

2.3本章小结 17

第三章 实验结果 18

3.1腔片腔环的仿真结果 18

3.2放入切断负载后的仿真结果 20

3.3本章小结 23

第四章 总结与展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第一章 绪论

1.1行波管的发展历史

行波管（TWT）的发展历史要追溯到1933年。在那一年，哈耶夫（Haeff）第一次观察到，当电子束与高频电路相互作用的时候会产生行波，但是当时他并不知道这会让高频信号产生一个放大的作用，哈耶夫的这一发现可以说为之后行波管的研制与发展奠定了基础。1935年，世界上第一个腔型磁控管振荡器出现了，它的研制者是波斯姆斯（Posthumus）。波斯姆斯对这一器件的工作原理作出了解释，他认为是由于高频行波旋转的横向分量与电子发生了相互之间的作用，导致电子的能量被转化为行波信号的放大^[1]。1940年，林德布兰德^[2]（Lindenbled）成功研制出第一个螺旋线行波放大器。他提出通过电子注与螺旋线中的高频波同步相互作用，可以使行波信号产生放大作用。与此同时，处在英国的康夫纳（Kompfner）也在进行相关的研究，并于1943年首次研制出世界上第一个行波管。它的工作频率为3.3GHz，工作电压为1380V，工作电流为0.18mA，增益为6dB,噪声系数为14dB。但是由于存在振荡问题，没有办法进入实用阶段。到了1947年，皮尔斯（Pierce）^[3]根据小信号理论提出了解决振荡的方法，使行波管真正进入了实用阶段。

从1946年到1966年，行波管步入了繁荣发展的时期。全世界各地的研究人员都对行波管的工作特性展开了深入的研究，包括对电子注与行波相互作用原理的探索以及行波管各个部件（电子枪、慢波结构、聚焦系统、收集极等）的研制^[5]。后来周期永磁聚焦系统的出现使得行波管的体积更小，质量更轻，制造工艺的日益成熟也进一步推动了行波管的发展与应用。

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