矩形双绕螺旋线类慢波结构行波管的研究

How to design and explore miniaturized wideband traveling wave tubes(TWTs) with higher output power based on new mechanism and new structure is a hot research in vacuum electron. It is also an interesting research holding the combined significances of theoretical study and practical application. This project is devoted to solve the key theoretical and technical issues of the rectangular bifilar helix slow wave structure(SWS) in the application of TWTs based on the combined advantages of the rectangular solitary SWS and the round bifilar helix SWS. The research contents are: (1) the research of the novel rectangular bifilar helix SWS and its variations with flattened dispersion and high coupling impedance; (2) the theoretical study of the high frequency characteristics of the rectangular bifilar helix SWS and its variations (3) the research of the linear theory of beam-wave interaction of the sheet electron beam traveling wave tubes using the rectangular bifilar helix SWS. By theoretical analysis, numerical calculation and electromagnetic simulation, the theoretical foundation, high efficiency analytical method and the optimized model can be provided for the rectangular bifilar helix SWS in the practical application of the traveling wave tubes. The research achievements would be instructive for the theoretical study of the relevant helix SWS. Moreover, it would provide technical support for the development of the miniaturized wideband high power traveling wave tubes.

如何利用新机理和新结构设计具有更大输出功率的小型化宽带行波管是真空电子学领域的研究热点，也是兼具理论和实际工程意义的研究课题。本项目旨在结合矩形螺旋线慢波结构和圆双绕螺旋线慢波结构的优点，研究矩形双绕螺旋线及其变形结构在小型化宽带高功率行波管应用中关键的理论与技术问题。研究包括：（1）具有平坦色散和高耦合阻抗综合优点的新型矩形双绕螺旋线类慢波结构的研究；（2）矩形双绕螺旋线类慢波结构高频特性的理论研究；（3）带状注矩形双绕螺旋线类行波管注波互作用的线性理论研究。通过理论分析、数值计算和电磁仿真等方法，为矩形双绕螺旋线类慢波结构在行波管的实际应用提供可靠的理论依据、高效的分析方法以及竞争力强的优化模型。相关研究成果将对螺旋线慢波结构的理论研究有一定的促进意义，同时为小型化宽带高功率行波管的开发提供有力的技术支撑，具有广阔的应用前景。

研究背景：针对行波管高功率高效率小型化的发展需求，本项目开展矩形双绕螺旋线类慢波结构行波管的研究。主要研究内容为建立具有平坦色散、良好传输和高耦合阻抗综合竞争优势的新型矩形双绕螺旋线类慢波结构，并进行相应的高频特性分析和注波互作用研究。重要结果：（1）提出了矩形环对角双杆慢波结构。相对于圆环双杆慢波结构，矩形环对角双杆慢波结构具有更平坦的色散和更高的耦合阻抗。研究显示，在Ka波段，矩形环对角双杆慢波结构的耦合阻抗相对于同尺寸的圆环双杆慢波结构提升一倍以上。在相同的工作电压25.1KV, 相同的工作电流0.2A条件下，185个慢波结构周期长度的矩形环对角双杆慢波结构行波管的峰值功率为581.2W，对应的微分小信号增益, 3dB带宽和电子效率分别为0.366 dB/mm，4.5GHz和11.57%。与此同时，240个慢波结构周期长度圆环双杆行波管的峰值功率为416.8W，对应的微分小信号增益，3dB带宽和电子效率分别为0.272 dB/mm，3GHz和8.30%。矩形环对角双杆行波管相对于圆环双杆行波管的输出功率提升了39.4%，微分小信号增益提升了34.5%，3dB带宽提升了50%，器件长度缩短了22.9%。同时，矩形环对角双杆慢波结构在高频特性上还体现出对折叠框慢波结构和矩形环慢波结构的综合优势。（2）提出了半矩形环螺旋线慢波结构，脊加载半矩形环螺旋线慢波结构以及矩形对角杆慢波结构等新型慢波结构。其中，相对于目前的半圆环螺旋线慢波结构和矩形螺旋线慢波结构，半矩形环螺旋线慢波结构和脊加载半矩形环螺旋线慢波结构具有高阻抗的优势。矩形对角杆慢波结构相对于常规的圆环杆慢波结构具有更平坦色散和更高耦合阻抗的双重优势。采用这些新型慢波结构的行波管在输出功率、增益和电子效率等关键参数上得到提升，上述新型慢波结构可以为高功率高效率小型化行波管的研发提供有益参考。

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