论文总字数：21709字

摘 要

行波管是重要的大功率微波电真空器件之一，其利用阴极发射电子注与慢波结构中电磁波互作用实现微波信号的传输与放大，该器件具有功率高、带宽宽、可多模工作的特点。传统行波管中多采用热阴极电子源，为提高器件响应速度，提升器件效率，并推进器件的小型化，对冷阴极行波管的研究的需求非常明确。

本论文开展了对冷阴极预调制电子枪行波管的仿真研究，在充分了解行波管的构成与工作原理后，利用三维电磁仿真软件优化行波管输入输出结构的几何参数，将仿真结果中的中心频率18.2GHz处驻波比从1.2降至了1.05；利用仿真软件并结合工程实际设计了小型化行波管的螺旋线慢波结构，该结构采用T型夹持杆；重点研究了慢波结构夹持杆的几何参数对行波管色散特性及耦合阻抗的影响。仿真结果显示，本文中所设计的慢波结构在工作频段18-20GHz内色散较弱，耦合阻抗在中心频率处大于86Ω。

本文还详细研究了返波振荡对行波管稳定工作的影响，并设计通过装配集中衰减器及切断慢波线抑制返波振荡。研究中通过仿真发现慢波线切断处的能量被完全吸收，且设置衰减器后整管传输特性依然良好，中心频率处驻波比小于1.40。

关键词：螺旋线行波管；注-波互作用；色散特性；耦合阻抗

ABSTRACT

Traveling wave tube (TWT) is one of the important high-power microwave electric vacuum devices, which using the interaction between electron injection and electromagnetic wave to transmit and amplify the energy. It has the characteristics of high power, wide bandwidth and multi-mode operation. In conventional TWTs, thermionic cathode electron gun is always used as electron source. In order to improve the response speed, reduce the power consumption, and promote the miniaturization of the device, the demand for the research of the cold field emission cathode TWT is very clear.

This paper carried out a simulation research on the pre-modulated cold field emission cathode electron gun TWT. After fully understanding the components and working principle of the TWT, we optimize the geometric parameters of the input and output system of the TWT by using 3D electromagnetic simulation software. The simulation result shows, the standing wave ratio at the center frequency of 18.2 GHz is reduced from 1.2 to 1.05.And by combining simulation and practical experience, we design the helix slow-wave structure of the miniaturized TWT. The structure uses the T-type dielectric rod. Then we mainly research the influence of the geometric parameters of the dielectric rod on the dispersion characteristics and interaction impedance of the TWT. The simulation result shows, that the slow wave structure we designed has weak dispersion characteristics within the working frequency 18-20GHz, and the interaction impedance is higher than 86Ω at the center frequency.

In this paper we also research the influence of backward-wave oscillation (BWO) on stable operation of a TWT. By setting an attenuator and cutting off the slow wave circuit suppressed we the BWO. The simulation result shows, that at the place, where the slow wave circuit is cut off, the energy is completely absorbed. And with the attenuator, the transmission characteristics of the whole tube are still good. The simulation result shows, that the standing wave ratio at the center frequency is less than 1.40.

KEY WORDS: helix traveling wave tube; beam-wave interaction; dispersion characteristics; interaction impedance

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 行波管的构成及工作原理 1

1.3 场致发射冷阴极行波管的发展与现状 3

1.4 论文的主要工作 5

第二章 螺旋线慢波结构的高频特性 7

2.1 引言 7

2.2 螺旋线慢波结构的高频特性 7

2.2.1 螺旋线慢波结构的色散特性 7

2.2.2 螺旋线慢波结构的耦合阻抗 8

2.2.3 仿真计算慢波结构高频特性 8

2.3 慢波结构夹持杆对高频特性的影响 9

2.3.1 夹持杆宽边长度m对高频特性的影响 9

2.3.2夹持杆窄边长度n对高频特性的影响 10

2.3.3夹持杆宽边高度h对高频特性的影响 12

2.4 本章小结 13

第三章 行波管输能结构的设计 14

3.1 引言 14

3.2 输能结构的选择 14

3.3 同轴输能结构的阻抗匹配 14

3.4 对行波管输能结构的优化 15

3.5 本章小结 17

第四章 返波振荡及其抑制方法 18

4.1 引言 18

4.2 返波振荡产生原理 18

4.3 抑制返波振荡的方法 19

4.4 整管传输特性仿真 20

4.5 本章小结 21

第五章 总结与展望 22

5.1 本论文工作总结 22

5.2 待解决的问题 22

参考文献 24

致 谢 26

绪论

引言

行波管是一种常见的微波真空器件。它利用电子注和电磁波的相互作用实现信号的传输与放大，具有工作带宽大，单管增益高，非线性性能优秀，输出功率高、频率应用范围广等优势。在微波雷达系统、电子对抗、通信与广播系统等领域中，行波管具有不可替代的作用。

近年来，对场致发射冷阴极的研究愈发成熟。这是通过外加电场让材料表面势垒的高度降低、宽度变窄,从而使材料内大量电子隧穿过表面势垒到达外部的发射方式。与热阴极相比，冷阴极发射的电子所处能级大多在费米能级之下，所需能量更少，而获得电流密度更大，可以有效提升器件的效率；且发射过程无需预热时间，提高了器件反应速度如。以化学稳定性好，机械强度高的碳纳米管作为场致发射材料，更可以带来开启电压低、电流密度大、材料稳定性高等优点。如采用场致发射冷阴极替代传统行波管中的热阴极，可以突破行波管难以小型化的难关，进一步实现行波管的高效化，在国防和民用领域都极有意义。

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