螺旋線行波管及耦合腔行波管輸入輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化.pdf

1、行波管在微波和毫米波領(lǐng)域有著非常重要的作用，一方面是由于它的平均功率和能量利用效率都比較高；另一個方面它的頻帶比一般的半導(dǎo)體器件要寬的多。每年的國家重大專項中，它們往往是這些專項中的關(guān)鍵器件，在這些關(guān)鍵器件中螺旋線行波管和耦合腔行波管應(yīng)用的最為廣泛。為了順利傳輸能量，就存在如何把高頻電磁場信號傳輸?shù)竭@些慢波結(jié)構(gòu)上，這就需要輸入輸出結(jié)構(gòu)。由于慢波結(jié)構(gòu)和輸入輸出結(jié)構(gòu)隸屬于不同的結(jié)構(gòu)，就存在傳輸結(jié)構(gòu)之間的電磁場如何轉(zhuǎn)換、阻抗如何更好的匹配等一

2、系列的問題。論文正是在前人的基礎(chǔ)之上對輸入輸出結(jié)構(gòu)做了一些研究，主要研究工作包括：
　　1、建立慢波結(jié)構(gòu)仿真模型。根據(jù)螺旋線行波管的參數(shù)，建立螺旋線慢波結(jié)構(gòu)模型，并不斷優(yōu)化，使之能滿足工作在6-18GHz的頻段上；在建立慢波結(jié)構(gòu)時，首先，在處理螺旋線的時候利用分段的方法把螺旋線分成三份，經(jīng)仿真表明利用這樣的方法可以有效降低慢波結(jié)構(gòu)在低頻端的阻抗，便于在慢波結(jié)構(gòu)和輸入輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻抗間的匹配；其次，探索螺旋線與輸入輸出結(jié)構(gòu)的連接方式

3、，得到了合適的連接結(jié)構(gòu)。最后，用HFSS（High Frequency Structure Simulator）對慢波結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真，得出慢波結(jié)構(gòu)輸入輸出參數(shù)，包括：S參數(shù)（S11、S21），及VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）等。
　　2、建立同軸窗模型。用HFSS軟件，建立同軸窗模型。先利用同軸線的模型計算出同軸所需的半徑，及真空的半徑，然后利用HFSS對敏感的參數(shù)進(jìn)行掃描，得出最佳性能參數(shù)時

4、的模型的參數(shù)。最后掃描出S參數(shù)（S11、S21），及VSWR。
　　3、把同軸窗輸入輸出結(jié)構(gòu)的模型加在螺旋線行波管上，進(jìn)行聯(lián)合仿真，觀察同軸窗輸入輸出結(jié)構(gòu)對螺旋線慢波結(jié)構(gòu)固有性能參數(shù)（包括S參數(shù)和VSWR參數(shù)）的影響，如果影響較小，則可以判定此窗體適用于螺旋線行波管。
　　4、根據(jù)耦合腔所提供的結(jié)構(gòu)參數(shù)用HFSS建立耦合腔的模型，掃描出耦合腔在工作頻帶內(nèi)性能參數(shù)，包括：S參數(shù)和VSWR參數(shù)。
　　5、根據(jù)盒形窗理論確定

5、矩形波導(dǎo)和柱形波導(dǎo)的尺寸，以及介質(zhì)片的尺寸，然后利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）對敏感的參數(shù)進(jìn)行掃描，得出在感興趣的頻率范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)的參數(shù)。
　　論文主要工作及創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1.在6-18GHz行波管設(shè)計的過程中,通過以下幾點工作來改善行波管的性能參數(shù)：第一、把螺旋線通常的整體結(jié)構(gòu)分成三個部分去處理，把初始的每個螺距都是1.6mm，變成第一部分的螺距為1

6、.9mm，第二部分的螺距為1.6mm，第三部分為1.9mm。第一個部分和第三個部分分別為三圈螺旋線。這樣的螺距漸變能很好的優(yōu)化行波管的性能；第二、為了實現(xiàn)良好的阻抗匹配，把同軸線設(shè)計成漸變的形式，即同軸線上半部分圓柱形，下半部分圓臺形。第三、改變連接螺旋線與同軸線的連接機(jī)構(gòu)來改善同軸窗與慢波結(jié)構(gòu)的匹配程度。把連接機(jī)構(gòu)改為長方體的形狀，讓長方體的截面與螺旋線的截面相同。同軸窗中的同軸線使用的是漸變形式，就是上面為圓柱形，下面為圓臺形，使圓

7、臺的下底面為螺旋線截面的外接圓。通過連接機(jī)構(gòu)的改變可以很好的讓同軸線與螺旋線進(jìn)行匹配。
　　2.在同軸窗體設(shè)計過程中，通過掃描找出使同軸窗性能參數(shù)變化敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對此參數(shù)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行分段掃描。得出了在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時的 VSWR參數(shù)，這對以后同軸窗用于不同的頻段時的結(jié)構(gòu)參數(shù)是很實際意義的。
　　3.在盒形窗設(shè)計過程中通過理論的計算，給出初始的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行建模，然后利用HFSS對此模型進(jìn)行仿真，得出對性能參數(shù)影響明顯

8、的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行掃描，得出了在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時的性能參數(shù)，這對以后該盒形窗用在不同的頻段對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)是有實際設(shè)計意義的。其次為了讓此盒形窗工作在更寬的頻帶上把矩形波導(dǎo)窄邊與寬邊的比變?yōu)?.45，這樣確實是使頻帶加寬了不少，此盒形窗可以工作在61-70GHz的頻帶范圍上，這就說明此窗體可以工作在更寬的頻帶上，這就是說此盒形窗同樣也適合于其它頻段的耦合腔上，只是把連接耦合腔和盒形窗的過渡結(jié)構(gòu)重新設(shè)計即可。改變矩形波導(dǎo)邊