x波段小型螺旋线慢波电路的研究

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1、第一章绪论微波电真空器件是指在真空状态下，利用带电粒子在电极间的运动过程从而实现微波信号的振荡或放大的一种电子系统。人们习惯往往也把利用带电粒子在特定气体中的运动而产生信号的放大或转换的器件归结为电真空器件。自上世纪七十年代，微波电子管的发展遇到了半导体器件的严重挑战，但是，半导体器件的结构和工作原理决定了它在功率和频率的发展上是无法与微波电真空器件相抗衡的。在低频率、低功率情况，半导体器件完全可以取代微波管，但在高频率、高功率情况下，则微波真空器件占有绝对优势，在目前是任何其它器件无法替代的。现代军事应用和国民经济众多领域的发展向微波管提出，微波管正不断

2、向更高频率(毫米波、亚毫米波波段)，更高功率(千兆甚至更高)，更宽频带(数倍频程)，高可靠、长寿命(数年甚至十年以上)小型化和模块化等方向发展。行波管，自1943年英国科学家康夫纳尔发明以来，人们从原理、结构、工艺核材料等方面进行了大量工作，使行波管的性能得到不断提高。由于其宽频带、高增益、大动态范围、低噪声等特性，使行波管成为现如今使用最广泛的微波电子器件。行波管按其慢波结构可分为两种：螺旋线行波管和耦合腔行波管。其中耦合腔行波管是以谐振腔为慢波结构，限制了其工作带宽，使它的工作频带很窄，一般只有10％左右，但由于其慢波结构是全金属的，散热性能好，工作电

3、压可以很高，因而输出功率大，常用于设计大功率行波管；而螺旋线行波管是以螺旋线作为慢波结构，可以看做是一个非谐振型的弱色散的均匀传输线，因而工作频带很宽，可达到数个倍频程，但螺旋线散热能力有限，而且为避免返波振荡，其功率电平相对较低，功率容量小。一般脉冲功率在lOkW量级，平均功率在lkW左右，最大连续波功率不超过3kW，适用于中小功率行波管的设计。尤其是螺旋线行波管，由于其工作频带宽，被广泛应用于电子对抗、雷达和通信等领域。研究满足用户需求的小型化高性能螺旋线行波管，是核心电子技术领域十分重要的内容。本章简述螺旋线行波管结构、波注互作用工作机理等，给出论文

4、的主要工作内容。东南大学工程硕士学位论文1．1螺旋线行波管的基本结构螺旋线行波管的基本结构如图1．1所示：射频输入．射频输出+剖面图+图1．1螺旋线行波管的结构示惹图主要有五部分组成：电子枪、聚焦系统、螺旋线慢波结构、输入一输出装置和收集级。电子枪提供电子并使电子注成形和加速到规定的速度；聚焦系统主要是保证电子注维持一定的形状，不因扩散而打上高频结构的作用；慢波结构的任务就是传输高频电磁行波并使电磁波的相速度降到同步速度，慢波结构也是实现注波互作用的场所，即电磁场对电子注实现调制，而调制电子注交出直流能量放大高频场的机构；通过输入输出装置将高频输入信号能量

5、耦合到慢波线上和将已经放大的高频信号能量耦合到输出回路上去；收集级则是收集已完成任务的电子，有时还可以回收一部分电子的剩余能量。1．1．1电子枪电子枪主要包括阴极、聚焦级和阳极，对于热阴极还应该包括加热阴极用的灯丝(热子)。在微波管中，电子是由阴极发射的，电子发射的方式有很多种，常用的阴极有；氧化物阴极，海绵镍阴极，镍粉烧结氧化物阴极，钡钨阴极等四种，目前真正实用的一般都是热阴极。行波管电子枪的设计一般都采用皮尔斯会聚枪，如图1．2所示，MTSS软件制作的电子枪三维模型。4第一章绪论图1．2电子枪三维模型电子枪的主要参量和指标如下。1．导流系数P，定义为：

6、尸：牟(朴)(1．1)y2。式中厶为阴极电流(安)，圪为阳极电压(伏)。常用微朴作单位，用￡表示。导流系数一般仅决定于电子枪的结构，而与所加电压无关，仅在必须考虑热速度影响时才随电压有变化。2．电子枪面积压缩比M，表示电子注面积比阴极面积小若干倍，即注电流密度比阴极电流密度大多少倍。在同样的注电流密度下，M大一些，阴极负荷可减轻，但这样会使聚焦等更为困难。定义为：M=㈡2㈦2，式中‰为电子注最小截面半径，又称为腰半径，表示包含有95％电流的电子注半径可能得到的最小值；乙为电子注最小截面位置，又称为腰的位置(也称为枪的射程)，定义为电子注最小截面位置与阳极头

7、的距离。3．阴极电流密度，以定义为：I—lk√I一—7rr—k2(1．3)式中厶为阴极电流(安)，％为阴极半径(厘米)。对于一只性能良好的电子枪，要求所形成的电子注具有较好的层流性，即电子轨魏懑童重墓霪藿量￡髭缝露缮东南大学工程硕士学位论文迹相互不交叉。这样才能有利于实现电子注聚焦及高频场与电子注的能量交换。1．1．2聚焦系统电子注经电子枪成形后，以一定速度进入互作用区，由于电子注内部的空间电荷斥力，它在前进的同时将不断发散，使得电子注将不可能与微波场进行充分的能量交换而过早地打在高频结构，甚至引起高频结构的损坏，因此要得到有效的注一波互作用，就必须克服电

8、子注内部的空间电荷力，使电子被聚在具有一定截面形状的一束电子注内，