螺旋線行波管高頻特性及非線性注—波互作用研究.pdf

1、本論文從理論計算、軟件模擬和實驗測量三個方面較系統(tǒng)的研究了螺旋線行波管的高頻特性和注波互作用，并以理論計算為基礎(chǔ)進(jìn)行多目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，為螺旋線行波管的工程設(shè)計提供可靠的依據(jù)。研究內(nèi)容按內(nèi)在的先后關(guān)系進(jìn)行組織。首先深入研究了螺旋線慢波系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，結(jié)合軟件模擬和實驗測量，為非線性計算提供較準(zhǔn)確的冷測參數(shù)；通過詳細(xì)的理論推導(dǎo)給出了螺旋線行波管的非線性場理論，對L、C和Ku波段空間行波管的計算結(jié)果表明，理論與實驗結(jié)果基本一致；最后在行波

2、管的設(shè)計工作中引入了多目標(biāo)的優(yōu)化方法，并對這些方法進(jìn)行改進(jìn)。論文的主要工作如下： 一、通過詳細(xì)研究有限寬度螺旋帶理論中的坐標(biāo)變換，指明了復(fù)合變量KHz-θ的特殊含意，證明了將電磁場分量寫成變量分離的形式是適當(dāng)坐標(biāo)變換的必然結(jié)果，而不是人為的假設(shè)。使用阻抗矩陣，在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上將螺旋帶處的邊界條件用電場分量統(tǒng)一表示。其中的積分與Chebyshev多項式的積分在形式上高度一致，構(gòu)成了面電流Chebyshev多項式展開的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

3、 二、帶狀螺旋線上的面電流分布在實驗上無法測量。應(yīng)用三維電磁場計算軟件HFSS進(jìn)行了模擬，為面電流分布簡化假設(shè)的使用提供參考。同時也從軟件模擬的角度證明，螺旋帶上面電流的Chebyshev多項式展開在理論上不僅是合理的，也是必要的，即更接近螺旋帶上面電流的實際分布。 三、應(yīng)用改進(jìn)了的螺旋帶色散和耦合阻抗的計算方法，在成功去除面電流假設(shè)的同時對介質(zhì)進(jìn)行徑向分層。在徑向分層時，不需對隨層數(shù)增加而增加的高階矩陣進(jìn)行求逆運算，因此

4、適合于介質(zhì)的高階分層處理?；诖死碚摼帉懥丝蓮较蛉我夥謱拥钠者m性程序，計算與實驗的結(jié)果有很好的一致。 四、加工和組建了較精密的實驗裝置，使用Aglient8510C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測量了一個無翼片和兩個不同翼片加載慢波結(jié)構(gòu)的色散特性和耦合阻抗。將系統(tǒng)等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，對非諧振系統(tǒng)耦合阻抗公式中的△φ進(jìn)行了修正，可以有效消除端口反射的影響，抑制了實驗結(jié)果的波動。在軟件模擬中，考慮了高次空間諧波對耦合阻抗計算結(jié)果的影響。

5、五、詳細(xì)推導(dǎo)并建立了完整的非線性理論工作方程組。通過行波管螺旋導(dǎo)電面模型中電磁場的分析，給出了色散和耦合阻抗計算公式，深入研究了非線性理論中的空間電荷降低因子。研究表明，采用螺旋導(dǎo)電面模型在較高的頻率計算空間電荷降低因子，實質(zhì)上將退化為最簡單的金屬導(dǎo)電筒模型。通過C和L波段兩個行波管的非線性計算結(jié)果與文獻(xiàn)中相應(yīng)結(jié)果的比較，充分說明本文理論和程序的正確性。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個Ku波段空間行波管的慢波系統(tǒng)，有效的提高了電子效率。在一維理論的

6、基礎(chǔ)上初步研究了螺旋線行波管的三維非線性理論，討論了空間電荷場的計算方法，并給出了程序的計算流程。 六、深入研究了兩個多目標(biāo)優(yōu)化算法：NSGA和e-MOEA，并對算法進(jìn)行了部分改進(jìn)。在NSGA中引入了擁擠體積的概念，既不需要歸一化擁擠距離，也不需要對擁擠距離進(jìn)行反復(fù)排序，有效地減小了計算量；對NSGA-Ⅱ算法的兩大部分進(jìn)行統(tǒng)一，提高了程序的結(jié)構(gòu)性。NSGA和e-MOEA在有限制條件的工程優(yōu)化設(shè)計中，根據(jù)是否滿足限制條件來確定是否