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应用于真空电子管的矩形栅慢波结构冷特性的数值模拟

作　者: 于海波
导　师: 雷虹
学　校: 山东大学
专　业: 无线电物理
关键词: 行波管矩形栅慢波结构折叠波导慢波结构色散特性耦合阻抗损耗特性 MAFIA MWS
分类号: TN11
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 76次
引　用: 1次
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内容摘要

真空电子管作为大功率和高频率的电子器件，在雷达、电子对抗和通信等方面获得了广泛的应用。行波管是真空电子管的一大家族，慢波结构是行波管的重要组成部分之一，是传输电磁波并使电磁波与电子注发生相互作用的部件。慢波结构有螺旋线、耦合腔、梯形线、折叠波导、矩形栅等多种结构形式。随着雷达和通信系统工作频率的提高，微细加工技术的发展为微波管的小型化和微型化提供了广阔的前景。矩形栅慢波结构是一种全金属全封闭的慢波结构，这种慢波结构制造工艺相对简单、成本低，适合大规模生产，对于实际应用具有重要的意义。随着计算机软件技术的发展和计算机速度的提升，计算机模拟仿真技术在微波管设计中得到广泛的应用，世界上许多国家都积极发展计算机辅助设计技术，利用电子计算机来精确模拟微波管中电子与高频场的相互作用，与必要的实验相结合，可节省大量的设计时间，缩短研发周期。论文采用理论分析与计算机模拟相结合方法，研究矩形栅慢波结构的色散和耦合阻抗以及折叠波导慢波结构损耗特性，主要做了以下几方面的工作：根据改进的单模近似理论，研究了应用于微波管的矩形栅慢波结构的工作原理及电磁波在其中传播的特性，如色散特性和耦合阻抗等，分析总结出相关的理论公式。论文系统总结了折叠波导慢波结构色散和耦合阻抗的理论公式，以及其衰减特性的近似理论公式。利用大型电磁场软件MAFIA和MWS对双面矩形栅慢波结构的特性进行模拟，利用周期性边界条件对单个周期进行研究，分析其场分布特性，计算了单个周期相移与谐振频率的关系，利用MATLAB编制程序并绘出色散特性的模拟曲线。通过曲线可以看出，双面矩形栅慢波结构对电磁波相速的降低作用并不很强，慢波比v／c的数值在0.5以上。探讨了用MAFIA计算双面矩形栅慢波结构耦合阻抗的方法，利用MATLAB编制程序并绘出了耦合阻抗曲线。通过曲线可以看出，双面矩形栅慢波结构在频率为112-124GHz之间的耦合阻抗数值为0-40Ω。论文分析了双面矩形栅慢波结构的栅高度、周期长度、栅间距以及单叶面到z轴的距离对其色散特性和耦合阻抗的影响，分析了上下叶面错位对色散以及耦合阻抗的影响。结果表明：增大槽深和周期长度，系统通带变窄，耦合阻抗增大；周期长度不变，改变栅间距对冷特性影响不大；增大叶面间距，系统通带变宽，耦合阻抗减小；上下叶面沿轴有半个周期的错位时，系统的冷特性基本不变。对折叠波导慢波结构的损耗特性进行了近似理论分析，数值计算了折叠波导慢波结构中心工作频率附近不同频率点的功率损耗值，得到的结果与理论分析一致。分析了折叠波导慢波结构波导窄边尺寸及制管材料对其损耗的影响。结果表明：随着金属电导率的增大，衰减常数减小；随着波导窄边尺寸的增大，衰减常数也呈减小趋势。论文所用到的计算机模拟方法可以应用于其它的慢波结构中，数值模拟结果对于大功率的短毫米波源和太赫兹真空器件理论分析有一定参考价值，对实际制管工作有一定指导意义。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
第一章前言  11-27
  1.1 电子器件简介  11-15
  1.2 行波管  15-16
  1.3 慢波结构的特性  16-20
    1.3.1 色散特性  17-18
    1.3.2 耦合阻抗  18-19
    1.3.3 损耗特性  19-20
  1.4 几种典型的慢波结构  20-25
    1.4.1 螺旋线慢波结构  20-21
    1.4.2 耦合腔慢波结构  21
    1.4.3 平面型慢波结构  21-23
    1.4.4 折叠波导慢波结构  23-24
    1.4.5 矩型栅慢波结构  24-25
  1.5 论文的主要研究内容和意义  25-27
第二章矩形栅慢波结构冷特性的理论分析  27-32
  2.1 单面矩形栅慢波结构冷特性的理论分析  27-30
    2.1.1 色散关系  27-30
    2.1.2 耦合阻抗  30
  2.2 双面矩形栅慢波结构冷特性的理论简介  30-32
第三章大型电磁软件MAFIA和MWS简介  32-38
  3.1 MAFIA简介  32-36
  3.2 MWS简介  36-38
第四章双面矩形栅慢波结构特性的数值模拟  38-49
  4.1 双面矩形栅慢波结构冷特性的数值模拟  38-44
    4.1.1 色散特性  39-41
    4.1.2 耦合阻抗  41-44
  4.2 矩形栅慢波结构几何参数对色散和偶合阻抗的的影响  44-49
    4.2.1 对色散特性的影响  44-47
    4.2.2 对耦合阻抗的影响  47-48
    4.2.3 上下叶面错位的影响  48-49
第五章 W波段折叠波导慢波结构损耗的分析  49-54
  5.1 W波段折叠波导慢波结构的色散及耦合阻抗理论分析  49-50
    5.1.1 色散特性  49-50
    5.1.2 耦合阻抗  50
  5.2 波导窄边尺寸及管壁材料对损耗特性的影响  50-53
    5.2.1 波导窄边尺寸的影响  52
    5.2.2 管壁材料的影响  52-53
  5.3 损耗的数值计算  53-54
第六章结束语  54-55
  6.1 本文的主要结论和创新  54
  6.2 对今后工作的建议  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-60
学位论文评阅及答辩情况表  60

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