（物理电子学专业论文）三叶草慢波结构的特性分析及仿真.pdf

摘要 摘要 三叶草慢波结构是一种高耦合阻抗的耦合腔慢波线。耦合腔慢波结构尺寸 大，散热性能好，也可以在高电压下工作，能够得到很高的平均功率、脉冲功率 输出，目前被广泛应用于大功率行波管。在国内，三叶草慢波结构被首次应用于 行波速调管的输出段。 本论文对三叶草慢波结构行进了特性分析。该结构是一段周期性加载的圆波 导传输线，第一通带为腔体通带，具有正色散前向基波，而且，与常用的耦合腔 慢波结构相比，具有更高的耦合阻抗。 以一具体的三叶草结构工程设计为例，分别介绍了各部分的设计原理及尺 寸。由于三叶草慢波回路腔体结构的复杂性，很难由场论分析法直接计算得到其 高频特性，更难以定量地解决该系统的设计计算问题。利用软件模拟耦合腔慢波 结构，计算得到慢波特性数据的方法，避免了解析模型中的假设条件，提高了求 解精度，节省了加工和测量所花费的人力、时间和费用。本论文运用i s f e l 3 d 、 m a f i a 、h f s s 等软件对三叶草慢波回路的高频特性进行模拟。对色散特性的模拟， 采用测试不同相移角度对应着相应谐振频率的谐振法，对耦合阻抗的模拟采用于 腔体中置入微扰棒后得到微扰频率变化值的微扰法。且对相应结构进行了实验测 试，将模拟结果与实验测试值相比较，色散特性的平均误差小于0 0 3 ，耦合阻 抗的平均误差小于8 ，说明用计算机模拟对其进行研究具有可行性。 在分析模拟结果的基础上，对三叶草慢波结构做了初步优化。通过i s f e l 3 d 软件对不同尺寸的结构进行模拟，以展宽带宽，提高耦合阻抗，得到更好的特性。 这对回路的设计具有重要的指导意义。 关键词：慢波结构三叶草耦合腔特性分析计算机模拟 a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s ea n ds i m u l a t i o no fc l o v e r - l e a f c o u p l e dc a v i t ys l o w - w a v es t r u c t u r e z h o uh a x i a ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yz h a n gz h a o c h u a n a b s t r a c t c l o v e r l e a fc o u p l e dc a v i t yi sak i n do fs l o w 。w a v es t r u c t u r eo fh i g hi n t e r a c t i o n i m p e d a n c e t h ed i m e n s i o no fc o u p l e dc a v i t ys l o w w a v es t r u c t u r e i sl a r g e ，a n dt h e s t r u c t u r eh a sa na d v a n t a g ei ne l i m i n a t i o no fh e a ta n dc a nw o r ku n d e rh i g hp r e s s u r e a n dg a i n e dh i g ha v e r a g ep o w e r - o u t p u ta n dp u l s ep o w e r - o u t p u t a tp r e s e n t ，c o u p l e d c a v i t y s l o w w a v es t r u c t u r ei su s e di nh i g h p o w e rt r a v e l i n gw a v et u b ew i d e l y c l o v e r - l e a fc o u p l e dc a v i t yi sf i r s tu s e di no u t p u ts e c t i o no ft w y s t r o ni nc h i n a t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y s e s t h ec h a r a c t e r i s t i co fc l o v e r - l e a fc o u p l e d c a v i t y s t r u c t u r e t h es t r u c t u r ei s p e r i o d i c l o a d e dc i r c u l a rw a v e g u i d et r a n s m i s s i o nl i n e c o m p a r e dw i t hn o r m a ls t r u c t u r e ，i t si n t e r a c t i o ni m p e d a n c ei sh i g h e l d e s i g np r i n c i p l ea n dd i m e n s i o no fak i n do fc l o v e r - l e a fc o u p l e dc a v i t ya r e e x p o u n d e d t h em a t h e m a t i ca n a l y s ea n dt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na r ev e r yd i f f i c u l tf o r i t sc o m p l e xs t r u c t u r e t h es l o w - w a v ec h a r a c t e r i s t i cc a nb es i m u l a t e d ，w h i c ha v o i d s s u p p o s i n gc o n d i t i o nw h e na n a l y s i n gm o d e la n da d v a n c e sp r e c i s i o no ft h er e s u l t sa n d s a v e sm a n p o w e r , t i m ea n dm o n e y t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nc o d e si s f e l 3 d ， m a f i a ，h f s s a r e u s e dt od e t e r m i n et h e d i s p e r s i o n a n di n t e r a c t i o n i m p e d a n c e r e s o n a n c em e t h o d i su s e dt os i m u l a t e d i s p e r s i o n a n dp e r t u r b a t i o n t e c h n i q u ei su s e dt os i m u l a t ei n t e r a c t i o ni m p e d a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g e e r r o ro fd i s p e r s i o ni sl e s st h a n0 0 3p e r c e n ta n dt h ea v e r a g ee r r o ro fi n t e r a c t i o n i m p e d a n c e i sl e s st h a n8p e r c e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e m e a s u r e m e n tr e s u l t s ，w h i c hm e a n ss i m u l a t i o ni sf e a s i b l et or e s e a r c h i n gs l o w - w a v e s t r u c t u r e b a s e do na n a l y s eo ft h es i m u l a t er e s u l t s ，t h ec o u p l e dc a v i t ys l o w - w a v es t r u c t u r e i so p t i m i z e dp r i m a r i l y i s f e l 3 di su s e dt os i m u l a t ed i f f e r e n ts t r u c t u r es ot h a tb a n d w i d t h b e c o m e sw i d e ra n di n t e r a c t i o ni m p e d a n c eb e c o m e sh i g h e lt h e s ec o n c l u s i o n sa r e a v a i l a b l et od e s i g n k e y w o r d s ：s l o w w a v es t r u c t u r e ，c l o v e r - l e a f c o u p l e dc a v i t y , c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s e ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下 进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢 的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或 证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任 何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：周年霞日期：沙。占年4 闰j 舡8 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论 文的规定，其中包括：0 电子所有权保管、并向有关部门送交学位论 文的原件与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复 制并保存学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子 所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公 布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 ， 签 名：阂华霞日期：如。啤年月j 帕 导师签名：v 1 川爻日期：2 。6 年4 月，4 日 第一章绪论 1 1 行波管概述 第一章绪论 二十世纪三十年代末诞生的微波电子管，作为当时雷达和通信系统的“心 脏”，在第二次世界大战中发挥了重要作用。直至六十年代，微波管仍然是最重 要的军事和民用电子器件。七十年代以来，半导体器件逐步取代了小功率低噪声 的微波电真空器件。但微波器件在大功率、高频率情况下仍然占有绝对的优势， 即使采用功率合成技术，半导体器件在相当长的时期内其输出功率无法与微波管 竞争，关键在于现代军事战争为大功率微波电子管提出了新的需求和良好的发展 环境，促进真空电子管领域向大功率、宽频带、高效率和可靠性上的快速发展 c 1 2 ( 叩 o 2 l 世纪的战争将不再是单一部队使用单一武器的交战，而是以电子信息技 术为核心的高技术战争，是深入水下、陆上、高空以及外层空间的陆、海、空、 天、电多兵种的纵深立体的总体作战方式。因此高杀伤力武器、大功率微波定向 能武器、远射程精确制导系统，安装大量电子设备且具备多种功能的隐身化、遥 控化和小型化的作战平台以及信息化武器系统，都将成为2 1 世纪战争的军事武 器装备系统。其中的具体要求包括，雷达的高性能化，电子装备的综合化，信息 资源的共享化以及新型武器的需求，这些都要求微波电子管的工作频带越宽越 好，功率越大越好。 宽带大功率微波电子管可以广泛用于电子对抗、预警飞机、机载、舰载火控 雷达及精密制导武器。据报道，美国9 0 的武器中用来发送雷达、通讯及干扰的 信号源都是微波管。宽带大功率行波管能在倍频程以上范围内提供高功率输出， 用于电子对抗系统，可工作在连续波状态实现阻塞式干扰，工作在脉冲输出状态 实现欺骗式干扰。海湾战争中，行波管为美国赢得电子战立了首功，其中大多是 倍频程的，最高工作频率1 8 g h z ，平均输出功率2 0 0 w 。因此在大功率、高频率的 情况下，微波真空电子器件仍然占有绝对的优势。在长期的实践经验积累上，至 今还没有找到任何实用的新型器件来代替传统的慢波电子管“1 。美国的市场研究 材料显示：微波管( 包括行波管、速调管、磁控管和回旋管等) 的销售额从1 9 8 0 叶草慢波结构的特性分析及仿真 的5 6 7 亿美元增加到1 9 9 0 年的7 1 9 亿美元。1 9 9 0 年的美国微波管和毫米波管 的销售统计中显示，慢波电子管占9 5 4 ，其中行波管销售量最大，从1 9 8 0 年 的5 0 上升到1 9 9 0 年的6 4 ，并有逐年上升的趋势。1 9 9 0 年，美国国防部电子 器件领导小组在其研究报告“微波管：国家安全的忧虑”一文中指出：半导体器 件己接近其材料的极限，而真空电子器件频率和功率增长的潜力显而易见。 在微波电子管的大家族中用途较为广泛的是行波放大管，于军事和民用中都 得到了广泛的应用。行波管是k o m p f n e r 在1 9 4 3 年发明的，同年他在b i r m i n g h a m 大学阐明行波放大的原理。1 9 4 6 年1 1 月他的发明第一次在无线电世界 ( w i r e l e s sw o r l d ) 上报道0 1 。1 9 4 7 年皮尔斯( j r p i e r c e ) 发展了小信号理论。 第一批付之使用的行波管是由标准电话和电缆公司的r o g e r s 制成，并被用在 m a n c h e s t e r 到e d i n b u r g h 邮局的中继系统中，向英国广播公司的发射馈送信号。 早期的r o g e r s 行波管在其中心频率为4 0 0 0 m h z 的2 0 的带宽内给出约2 w 的功率 和2 5 d b 的增益。此后，行波管发展到能给出连续波千瓦级和脉冲兆瓦级的功率， 从1 米到1 毫米各种波长的行波管相继研制成功，现正在全世界的民用、军事电 子和空间技术等各个领域得到了广泛的应用。行波管有如此广泛的应用，主要是 由于在任何给定的频率和功率电平下，它都比竞争者有宽得多的频带，美国国防 部电子器件领导小组预测在下世纪军事电子装备需求的大功率微波器件中，行波 管仍将占有很大的份额”1 。 行波管作为宽带大功率微波器件之所以能长久不衰的原因在于其工作机理 是建立于电子注与慢波高频系统中的电磁场同步并分布发生互作用的，实现了信 号的放大和振荡。经过近6 0 年的发展，行波管已形成了一个庞大的家族体系。 翻开一本世界行波管产品目录( 例如d a t a ) ，它的产品按性能分类己达数千种之 多，行波管的工作频率已覆盖5 0 0 m t t z 到1 i o g h z ，在此范围内每个频段都有许多 不同性能( 不同的工作带宽、输出功率、增益等等) 的行波管供用户任意选择。 早期的行波管增益一般在2 5 3 0 d b ，现在可以做到高达7 0 d b 的行波管。为了降 低噪声由固态器件和行波管组成的放大链己得到了广泛的应用。前级固态放大 器的增益为2 0 3 0 d b ，行波管增益为4 0 5 0 d b ，总增益为7 0 8 0 d b ”1 。9 0 年代 为了适应相控阵雷达的需要结合行波管小型化的趋势发展了一种微波功率模块 ( m p m ) 的新型器件”1 ，其中的小型行波管只有巾8 x1 5 0 m m ，频带为6 1 8 g h z ， 第一章绪论 功率l o o w ，效率大于3 3 ，增益大于5 0 d b ，噪声系数小于l o d b 。这样的性能指 标在这种尺寸的行波管中已经是非常优越了。 1 2 螺旋线类及耦合腔类慢波结构的研究现状 根据行波管的基本结构知道，行波管是依靠和电磁波同步的电子注互作用而 把能量交给电磁波实现放大的。为了保证电子流与电磁波有效地相互作用，一般 需要保证两个条件：第一，电子流速度与波的相速同步；第二，在电子流速度方 向上，波场一般必须有纵向分量，而且此纵向分量在电子流通过的地方越强越好。 因此基于这样的条件，在微波管如行波管、返波管、正交场放大管和振荡器件以 及电子直线加速器中大部分都采用了周期性高频系统，以提供一个相速小于光速 的慢电磁波。这类周期性的高频系统称为慢波周期系统。3 ，是微波管中比较重要 的关键部件。 慢波结构必须具有两个重要的作用，一是把电磁波的相速降下来，使它能和 电子同步以保证电子和电磁波有足够长的互作用时间；二是有足够强的总电场强 度以保证电子和电磁波的能量交换。第一个作用由表征电磁波的相速与频率( 或 波长) 之间的色散特性来确定。第二个作用则通过波的纵向阻抗或电子流与波的 耦合阻抗来表征。另外，为了保证电子交出能量变成输出功率，而不是消耗在行 波管内部，慢波结构还必须考虑其损耗，它要尽可能小。这几个重要参数就构成 了慢波系统所要研究的慢波特性参数。 慢电磁波的传播速度随频率而变化的情况，通常用慢波系统的色散特性来表 示。色散的本质就是光在介质中的传播速度随频率而变化的特性“。在描述慢波 结构中慢电磁波的传播速度( 即波的相速) 随频率而变化的特性时，也采用了这 一名词，表示为电磁波沿轴向的传播速度v 与光速。的比值 v 。ca “卢+ c ) 其中为慢电磁波的角频率，芦为电磁波在周期慢波系统中的传播常数。如 果知道了电子注的运动速度v 。，那么适当调整慢波结构的尺寸参数，使得 v 。一v 。，即实现电磁波与电子注的“同步”，使两者能够充分的相互作用。 叶草慢波结构的特性分析及仿真 耦合阻抗是表征电子流与高频场相互作用强弱的物理量。电子流与场的能量 交换决定于电子流通过处慢波系统上的纵向电场，而纵向电场与通过慢波系统的 功率流单值相关，因此可表示为： k ；旦 “”2 匪p r f ( 1 2 ) 其中e 。为n 次空间谐波的纵向电场幅值，为平均功率流，成为n 次空 间谐波的传播常数，可表示为：p 。= 卢。+ 拥l 。其中卢。为基波相位常数，l 为 慢波高频结构的周期。一般来说，耦合阻抗也随频率而变。在一定功率流下所能 建立的电场的强弱主要决定于慢波结构的尺寸参数，所以耦合阻抗的大小表征了 慢波系统中电子流与高频场相互作用的优劣。 慢波系统在结构上可以分为两大类“，即圆柱系统和平面系统。前者是与圆 形和圆环形截面的电子注相互作用，后者与矩形截面的电子注相互作用。从类型 上大体可以分为，螺旋线慢波系统及其变态结构；梳齿形慢波系统及其变态结构； 杆线形慢波系统；耦合腔形慢波系统等等。为了使宽带大功率行波管在宽频带上 能够得到高频率和高增益的运用，从慢波线系统的角度来看，需要有良好的匹配 性能、随频率变化不大的相速以及高的互作用场强。这要求有平坦的色散衄线和 高的耦合阻抗。 螺旋线慢波系统在宽带大功率行波管中使用较多，一直以来对螺旋慢波系统 高频特性的理论分析都是国内外相关学者的研究方向。随着时代的发展，对于螺 旋慢波系统的高频特性分析也经历了许多发展，其中最基本的方法有场论分析方 法和等效电路法。 场论分析法是在一定的边界条件下直接求解麦克斯维方程，这种方法的解无 疑是理想而严格的。场匹配方法是其中应用最为广泛的一种基本方法，它是根据 慢波系统的几何结构特点，将慢波系统划分为若干区域，在各区域中利用适当的 坐标系统，可使波动方程利用分离变量法求解。这样，各个区域中的场均可表示 为波方程相应特征函数的线性组合，然后通过公共边界上场的连续性边界条件可 以使各个区域中场“匹配”起来，从而求出相关区域场的幅值系数和整个慢波系 统的色散方程，再根据相关区域场的幅值系数求解出各个区域的功率流和电场幅 值，从而得到慢波系统的耦合阻抗。 4 第一章绪论 螺旋线慢波系统也可用等效电路法进行分析，但采用此方法较多的慢波系统 还是耦合腔慢波结构。耦合腔慢波结构的形式是多种多样的，是目前广泛应用的 一类高功率微波放大器中的慢波结构，其基本的慢波结构图1 i 。对其慢波特性 的研究，由于腔体几何结构的复杂性，它的理论计算一直采用hj c u r n o w 提出 的等效电路方法“，将腔体、耦合槽和电子通道都等效为电容和电感进行计算； 后来c a r t e r r g 等人在此基础上又提出了改进型的等效电路模型“，然而等效 电路的物理模型是非常粗糙的，只能做定性的分析，难以用于指导设计。国内的 张昭洪等研究学者根据电磁学理论的经典方法运用格林函数求解得到了耦合腔 慢波结构的色散方程“，从而显著地提高了耦合腔的求解精度，对研究耦合腔结 构的高频特性起到了很大的指导作用。 图1 1 行波管中耦合腔慢波结构示意图 场论方法求解时仍做了某些近似处理，比如将腰形槽等效为扇形槽，而且目 前只能计算休斯型的耦合腔，对于其他类型的耦合腔结构仍没有具体的文献进行 叙述。螺旋线慢波系统的理论计算有的也采用了某些近似处理方法，比如螺带面 电流的假设、翼片的假设处理等等。总之，这些处理方法都采用了一定条件下的 假设来进行理论解析求解，无法得到一个满意的计算精度，于是针对慢波高频特 性的计算机模拟成为国内外学者们新的研究热点和研究方向“”。 i 3 行波速调管发展现状 本论文所讨论的三叶草结构是一段耦合腔慢波线，在国内，中科院电子学研 究所首次将其应用于行波速调管的输出段，所以，有必要简要介绍一下行波速调 管的发展现状。 三叶草慢波结构的特性分析及仿真 7 0 年代以前人们把速调管视为窄带器件，因其高频系统由品质因素较高的 谐振腔组成，且各腔间对信号传播是截止的，所以当初设计的速调管瞬时带宽较 窄，一般在l 一3 ，限制了其使用范围。 随着科学技术的发展，在各个领域，尤其军事领域，对微波器件的性能提出 了更新要求：更高的峰值功率、更大的平均功率、更宽的瞬时带宽、更纯的频 谱许多器件的设计出现困难。如行波管，在低功率电平下其瞬时带宽可达到 倍频程，但随着功率的升高，设计上需考虑耐压、功率容量、热耗散等问题，一 些行波管( 如螺旋线) 的功率无法达到较高，一些行波管( 如三叶草、蜈蚣形等) 瞬时工作带宽下降到1 0 左右，且带内功率波动大、信噪比高等因素使其失去 了竞争的优势。随着多年的发展，速调管的电器特性得到很大的提高，在竞争中 呈现出优势。 瞬时带宽窄是速调管的一大弱点。人们采用多电子注技术、参差调谐技术、 长漂移管技术、谐振腔加载技术、对腔技术等等，使群聚带宽可以做得很宽，以 满足设计要求。通过对输出腔的加载，也可以用效率来换取输出带宽。而速调管 的总带宽一般受到输出回路的限制，因此主要问题是确定输出段的带宽可以做到 多少，然后设计一个长度最短的，具有足够带宽和增益的群聚段“。 速调管的总带宽之所以最终受到输出回路带宽的限制，是因为要在一个很宽 的频带内实现最佳的输出间隙负载阻抗值，它受到电子注电导、间隙耦合系数和 输出腔r q 的限制，即 争m 会g 。 ( 1 3 ) 其中等为带宽，m 为耦合系数，r q 为输出腔特性阻抗，g o 为电子注电导。 l 一般设计输出回路的目标，是实现在一定带宽内从速度调制电子束向负载的 的最佳耦合，以使管子的总效率最高。多年来人们为展宽速调管的工作频带设计 出了多种结构的输出回路。输出回路有四种主要结构，用以解调电子束，从中汲 取高频能量。 最简单的一种输出回路是单腔通过耦合口耦合到波导，或者通过耦合环耦合 到同轴线。通常通过谐振腔中的磁场进行耦合，因为电磁能在腔中的外围区域主 第一章绪论 要以磁场形式存在。输出结构不但取决于频率和功率水平，而且受限于可用空间， 因为在管子的输出段末端常常有大的聚焦线圈或磁铁，电子束收集极也在附近， 有时采用弯曲波导以避开聚焦线圈( 如图1 2 ) ，如果空间还嫌窄，就可先用扁 波导导出功率，渐变成标准波导，再接真空窗和传输线。 图1 2 用弯曲波导以避开聚焦线圈不意图 第二种是为了增加带宽，采用的双调谐腔结构。它包含一个与电子束耦合的 单间隙腔，和一个置于该腔与负载之间的滤波腔。两个腔调谐到同样的频率，这 样的组合比起只有仅仅一个腔，允许负载在间隙呈现最佳阻抗的带宽更宽。 第三种为分布互作用结构，其中两个或更多个腔体同时与电子束耦合，并且 彼此之间相互电磁耦合，以使带宽更宽。 一个双腔分布互作用回路( 如图1 3 ) 有两种模式：一种是o 模式，每个腔中 的信号同相；一种n 模式，每个腔中的信号反相。早期分析认为，只有n 模才能 与电子束进行有效的相互作用，0 模则需要抑制，因为它会产生不稳定性。但是 在1 9 6 7 年l i e n 和r o b i n s o n “7 3 指出，如果也用上0 模，带宽会更宽。p e r r i n g 等 人第一次描述并分析了这样的一个器件，并称它为重叠模输出“，因为两个模式 的响应在所要求频带的中央重叠起来。与双调谐输出腔不同，构成分布互作用的 两个腔的谐振频率必须不同。 图l3 双腔分布互作用回路示意图 ，i”uuuu 靴 。mlm鬻 圈 极 ：啦擞辩 蝴i 蚋一腱k 一糯坝骶渊雕瓣满黼 -jiiiil v_iii寸、蛙#g ，l、一绺隧熄瀚 三叶草慢波结构的特性分析及仿真 速调管腔体中间隙不只一个这一想法，是1 9 6 1 年由c h o d o r o w 和 w e s s e l b e r g 提出的，并且发表了一些实验结果“。最初的动机是为了增加速调 管放大器的转换效率，但是后来发现效率和带宽都有所增加，而且后者增加得很 多。c h o d o r o w 和w e s s e l b e r g 还设想在常规的速调管中电子束沿途经过的每一 个腔体都用扩展作用腔体来代替，形成分布式互作用。他们称这一概念为分布作 用速调管，英文缩写e i k 。 第四种包含一段慢波结构，由于这种器件融合了速调管的输入方式与行波管 的输出方式，所以被称为复合管，也称行波速调管。输出段为环一杆结构的速调 管脉冲功率虽高，但由于散热等问题不能很好解决，其应用受到限制。耦合腔型 慢波线尺寸大，散热性能好，也可以在高电压下工作，能够得到很高的平均功率 和脉冲功率输出。所以，很多大功率行波管都采用耦合腔作为慢波结构。 1 0g h z 左右的行波管输出回路主要是用“三叶草”回路( 如图1 4 ) ，而“蜈 蚣式”回路也用在高至3g h z 的管子中。g i t t i n s o ”详细描述了这两种回路。它 们皆是负电感耦合谐振腔链。两种类型慢波结构的主要物理差异在于“蜈蚣式” 回路直径更小，因此这种类型更适合于微波低频段的管子。“蜈蚣式”回路结构 还有一个优点就是容易制造，因为仅用单独一个铜圆盘就可以铣出所有这许多 “腿”，然后将得到的零件压成“蜘蛛”形。腔结构含有两只连结在一起的“蜘 蛛”。 蜈蚣形三叶草形 图1 4 行波管输出回路示意图 三叶草慢波结构由c h o d o r o w ( 1 9 5 7 ) 。“首先提出。在相邻两腔的公共壁上 开有径向缝隙八个。而每个腔体内都有劈形金属突出物四个，此四个突出物的角 第一章绪论 向位置每相邻两腔均相差4 5 度。金属突出物的存在使腔中原来是环形的磁力线 出现了径向分量，见图1 5 。从而通过径向缝隙耦合到另一腔中去。另一方面， 由于相邻两腔中金属突出物的角向位置相差4 5 度，这样就使相邻两腔中的磁场 穿过同一缝隙的径向分量反向，从而实现了负电感耦合。所以金属突出物的存在 提供了径向分量磁场，而相邻腔体旋转4 5 度的作用，则在于使径向磁场方向。 由于上述原因，三叶草慢波结构的第一通带为腔体通带，而且具有正色散前向基 波，并且有较高的耦合阻抗。它的不足之处是频带较窄。频带较窄的原因有两个， 一是隙缝尺寸受到限制：另一是每个腔体仅有部分回路电流流到槽口边缘给出适 合的耦合场，因而耦合磁场较弱。其等效电路见图1 6 ，这种结构的具体计算比 一般电感缝隙腔链更为困难。 图1 5 三叶草慢波结构的磁力线分布图1 6 三叶草慢波结构的等效电路 1 4 本论文的主要研究内容及其背景和意义 中小功率的行波管一般采用螺旋线慢波结构。在大功率行波管中，由于散热 等问题不能很好地解决，螺旋线及其变态系统的应用受到限制。而耦合腔慢波结 构尺寸大，散热性能好，也可以在高电压下工作，能够得到很高的平均功率、脉 冲功率输出，目前被广泛应用于大功率行波管。三叶草慢波结构就是一种祸合腔 慢波回路，与常用的耦合腔慢波结构相比，它具有更高的耦合阻抗。 本论文对三叶草慢波结构进行了特性分析，由于其腔体结构的复杂性，很难 由场论分析法直接计算得到其高频特性，也难以定量地解决该系统的设计计算问 题。利用软件模拟耦合腔慢波结构，计算慢波特性数据的方法，避免了解析模型 中的假设条件，提高了求解精度，节省了加工和测量所花费的人力、时间和费用， 三叶草慢波结构的特性分析及仿真 且对回路的生产设计具有重要的指导意义。 目前，对耦合腔慢波回路高频特性的计算机模拟多选休斯结构，采用m a f i a 软件。2 “2 “。本论文利用现有的i s f i e 3 d ，m a f i a ，h f s s 等模拟软件，对三叶草耦合 腔慢波结构进行了一系列模拟研究及结构优化，力图使用计算机模拟技术分析三 叶草慢波结构的特性，解决设计和制造过程中的一些问题，以达到缩短研制周期， 降低成本，提高行波速调管设计水平等目的。 整篇论文组织如下： 第一章绪论 本章介绍了行波管的发展历史、国内外发展趋势和发展现状，阐述了慢波结 构高频特性的基本理论，简要介绍了行波速调管的发展现状，最后介绍了本论文 的主要研究内容以及背景和意义。 第二章慢波结构的理论分析及三叶草结构的设计 本章首先介绍了慢波系统的传播条件、基本特性，对耦合腔慢波系统进行了 分类，然后以一具体的三叶草结构工程设计为例，分别介绍其各部分的设计原理 及尺寸。 第三章高频慢波系统仿真的基本理论 本章介绍了常用的数值计算方法，其中详细阐述了有限积分与有限元在高频 特性计算上的理论方法，分别介绍了本论文所涉及的三维电磁场计算软件 i s f e l 3 d 、m a f i a 和m f s s 软件模拟的特点。 第四章慢波结构的冷测实验研究 本章简单介绍了运用谐振法和行波法测量色散特性参量的原理方法，以及测 量耦合阻抗的微扰法。并以一实际的三叶草慢波回路为例，对其高频特性进行了 实验冷测。 第五章三叶草慢波结构的冷测模拟及优化 本章利用三维电磁计算软件i s f e l 3 d 、m a f i a 、h f s s 等对这种结构的色散特 性、耦合阻抗进行数值模拟，在分析模拟结果的基础上，对这种结构做了初步的 优化。结果表明，实验结果与模拟计算结果十分接近，证明了本论文提出的模拟 方法是比较准确的，且对改进这种慢波线的工程设计具有重要意义。 第六章结束语 对论文工作和得到的结论进行归纳和总结。 第一章绪论 参考文献 1 r h a b r a m a a m o n d e l ia n dr k p a r k e r v a c u u me l e c t r o n i c sf o rt h e2 1 “ c e n t u r y i e e em i c r o w a v em a g a z i n e ，2 0 0 1 ，v 0 1 2 ，n o 3 ：6 1 7 2 2 r k p a r k e dr h a b r a m s ，b d a n l ya n db l e v u s h v a c u u me l e c t r o n i c s i e e e t r a n s o nm t l2 0 0 2 ，v 0 1 5 0 ，n o 3 ：8 3 5 8 4 5 3 r k p a r k e ra n dc m a r m s t r o n g v a c u u me l e c t r o n i c sa tt h ed a w no ft h e t w e n t y - f i r s tc e n t u r y 1 9 9 9 ，v 0 1 8 7 ，n o 5 ：7 0 2 - 7 1 6 4 廖复疆大功率微波电子注器件及其发展真空电子技术，1 9 9 9 ，n o 4 ：1 1 4 5 r k o m p f n e r , t h et r a v e l i n gw a v et u b e ，w i r e l e s sw o r d ，1 9 4 6 ，v 0 1 5 2 ，n o v ： 2 6 9 - 2 7 2 6 廖复疆大功率微波管一2 l 世纪军事电子装备的关键器件中国电子学会 真空电子学分会第十届年会论文集( 上册) ，1 9 9 5 ，卜7 7 廖复疆等，真空电子技术一信息装备的心脏，国防工业出版社，1 9 9 9 年 1 0 月 8 d r w h a l e y s i x l y p e r c e n t e f f i c i e n t m i n i a t u r ec b a n dv a c u u mp o w e r b o o s t e rf o rt h em i c r o w a v ep o w e rm o d u l e i e e et r a n s o np l a s m as c i e n c e ，1 9 9 8 ， 、，o l _ 2 6 n o 3 ：9 1 2 9 2 1 刘盛刚等，微波电子学，国防工业出版社，1 9 8 5 年9 月 邮电部5 0 6 厂行波管编写组行波管北京：人民邮电出版社，1 9 7 9 j r p i e r c e t h e o r yo ft h eb e a mt y p et r a v e l i n g - w a v et u b e p r o c i r e 1 9 4 7 、，0 1 3 5 ：1 0 8 - 1 1 0 1 2 h j c u m o w a g e n e r a le q u i v a l e n tc i r c u i tf o rc o u p l e d c a v i t ys t r u c t u r e s i e e e t r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，1 9 6 5 ，v 0 1 1 3 ，n o 1 2 ：6 9 6 - 6 9 9 1 3 r c t c a r t e r , l i us h u n k a n g m e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ep r o p e r t i e so fc o u p l e d c a v i t ys l o w w a v es t r u c t u r e sf r o mt h e i rd i m e n s i o n s i e ep r o c e e d i n g s h ，1 9 8 6 ，v 0 1 1 3 3 n o 5 ：3 3 0 3 3 4 1 4 张昭洪，吴鸿适耦合腔慢波结构特性研究电子学报，1 9 8 6 ，v 0 1 1 4 ，n o 1 7 8 1 5 t m a n t o n s e ne ta 1 a d v a n c e si nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fv a c u u m e l e c t r o n i cd e v i c s p r o c e e d i n g so ft h ei e e e 1 9 9 9 v 0 1 5 ：8 0 4 - 8 3 9 f 1 三叶草慢波结构的特性分析及仿真 1 6 电子管设计手册编辑委员会大功率速调管设计手册国防工业出版，1 9 7 9 17 e l i e na n dd r o b i n s o n ：s t u d ya n di n v e s t i g a t i o nl e a d i n gt ot h ed e s i g n o fb r o a d b a n dh i g hp o w e rk l y s t r o n a m p l i f i e r s ，t e c h n i c a lr e p o ae c o m - 0 2 1 5 7 - 1 ( 1 9 6 7 ) 1 8 d p e r r i n g ，gp h i l l i p sa n dm j s m i t h ：b r o a d ba n dm e g a w a t tk l y s t r o n a m p l i f i e ru t i l i s i n g a l l o v e r l a p p i n g - m o d e e x t e n d e d i n t e r a c t i o n o u t p u t s e c t i o n ，a g a r dc o n f e r e n c ep r o c e e d i n g sn o 1 9 7 ，( 1 9 7 6 ) 1 9 m c h o d o r o wa n dt w e s s e l b e r g ：ah i g h e f f i c i e n c yk l y s t r o n w i t h d i s t r i b u t e di n t e r a c t i o n ，i r et r a n s a c t i o n s ，e d 一8 ，p 4 4 ( 1 9 6 1 ) 2 0 j e g i t t i n s ：p o w e rt r a v e l l i n g w a v et u b e s ，e n g l i s hu n i v e r s i t i e sp r e s sl t d ( 1 9 6 4 ) 21 c h o d o r o wm ，c r a i gra s o m en e wc i r c u i t sf o rh i 曲- p o w e rt r a v e l i n g - w a v c t u b e s p r o c i r e ，1 9 5 7 ，4 5 ( 8 ) ：1 1 0 6 1 1 1 8 2 2 l e iwq ，z h o n ghys o f t w a r ec o l dt e s ts i m u l a t i o no fc o u p l e dc a v i t y s l o w w a v es t r u c t u r ei nm i l l i m e t e rw a v et w t i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fi n f r a r e da n d m i l l i m e t e rw a v e s ，2 0 0 3 ，2 4 ( 1 ) ：7 1 - 7 7 2 3 张国兴，戴卢富，刘准，等m a f i a 软件模拟三维耦合腔慢波结构电子学 报，1 9 9 7 ，2 5 ( 6 ) ：卜5 1 2 第二章慢波结构的理论分析及三叶草结构的设计 第二章慢波结构的理论分析及三叶草结构的设计 2 1 慢波结构的基本理论 2 1 1 慢波传播的条件 在近代微波器件中，有一大类器件是基于利用电子流与电磁行波相互作用， 使电子的能量转变成高频电磁场能量( 这类器件有行波管、返波管等) 或将电磁 场能量转变成电子的动能( 这类器件有电子直线加速器) 。电子流与电磁行波的 有效互作用就要求电磁波的相速与电子流的速度同步。众所周知，电子的速度比 真空中的光速小，而一般均匀波导传输线中传播的电磁波的相速比光速大，这就 需要一种能将电磁波的相速降低到足够程度的电磁系统。这种系统就称为电磁慢 波系统。 慢波系统的特性对相应器件的功率、效率与频带等特性都有着重要影响。为 了改进器件的性能，人们已经研究出各种各样的慢波系统，而且直到最近，仍然 还有新型慢波系统出现。慢波系统可以分为两大类，一类是均匀慢波系统，它的 几何特性与介质参量沿传输线是不变的。介质填充的均匀圆波导就属于这类系 统，近年来它在微波器件中已经开始得到利用。另一类是周期不均匀系统，其几 何特性或介质参量沿波的传播方向是周期性变化的。这类系统在微波器件中应用 非常广泛。 虽然电磁慢波系统仍然是一种电动力学系统，在普遍的关系上与普通的波导 系统有着共同的理论基础，但是，在慢波系统中传播的是缓慢电磁波，这就使它 与作为传输线的普通波导系统有着本质的不同。此外，由于慢波系统在微波器件 中所担负的特殊任务，对它所提出的要求在很多方面都与普通波导有很大差别。 因此，在研究电子流与电磁波互作用以前，有必要对没有电子流存在时的“冷” 慢波系统进行详细研究。 电磁波沿均匀波导系统传输时的相速可以写成 叶草慢波结构的特性分析及仿真 c ( 2 1 ) 其中，c 为真空中的光速，“，为介质的相对磁导率，为介质的相对介电常数 a 为工作波长，a 。为某一工作模式相应的截至波长。 当波导中填充的介质为电介质时，“，= 1 ，对于非色散的t e m 波来说，a 。一。 而对于色散的一般波导来说，九为有限值。 当ac c 九或，c 时，式( 2 一1 ) 变为 c v p 。了一