【摘 要】
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W波段行波管作为宽带大功率毫米波源在雷达、电磁对抗、卫星通信等领域具有广阔的应用前景,如何研制出该类器件是目前真空电子学和本行业发展的关键课题。当工作频率提高时,由于尺寸共渡效应导致高频结构尺寸变小,损耗增大;而且圆形电子注的电流密度增加将会给电子注的聚束带来很大的困难,使得参与注-波互作用的电流难以提高,从而导致器件的输出功率降低。这不仅需要探索新的毫米波太赫兹低损耗慢波结构,而且也需要开辟提高
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W波段行波管作为宽带大功率毫米波源在雷达、电磁对抗、卫星通信等领域具有广阔的应用前景,如何研制出该类器件是目前真空电子学和本行业发展的关键课题。当工作频率提高时,由于尺寸共渡效应导致高频结构尺寸变小,损耗增大;而且圆形电子注的电流密度增加将会给电子注的聚束带来很大的困难,使得参与注-波互作用的电流难以提高,从而导致器件的输出功率降低。这不仅需要探索新的毫米波太赫兹低损耗慢波结构,而且也需要开辟提高器件工作电流的新途径。近年来,由于带状电子注具有大电流强度、低电流密度和较小的空间电荷力等优点,带状电子注行波管已成为本领域国内外发展大功率器件的一个研究热点。同时本课题组也提出了正弦波导慢波结构,它具有传输损耗低、反射小、易于加工和具有天然的带状电子注通道等特点。基于此,本学位论文开展了正弦波导慢波结构带状电子注器件的研究,分别从理论分析、仿真设计以及实验等方面,对一类新型正弦波导—平顶正弦波导慢波结构带状注行波管进行了深入的研究,论文的主要工作和创新点如下:1.开展了平顶正弦波导慢波结构的理论研究及其低损耗特性的实验验证工作。采用场匹配法获得了平顶正弦波导的色散方程和耦合阻抗表达式,计算结果表明,与常规正弦波导相比,平顶正弦波导在保持良好传输特性的同时,具有更高的耦合阻抗;进一步提出了平顶正弦波导的精密加工方法,利用nano-CNC技术加工出了粗糙度为100nm-110nm的慢波结构,并对其传输特性进行了实验研究,测试结果表明:在90-100GHz的频带内,单位损耗为0.36d B/cm,比相同尺寸下的曲折波导单位损耗降低了一倍。2.开展了W波段带状电子注宽带行波管的设计研究。首先设计了平顶正弦波导行波管的高频传输系统,包括慢波结构、脊波导输入输出耦合结构、布拉格结构和盒型窗。仿真计算表明:在90-100GHz的频带内,高频系统的驻波比小于1.5。然后设计了带状注电子光学系统,带状注电子枪工作电压为19k V,电流为200m A,注腰尺寸为0.8mm×0.2mm;设计了PCM磁聚焦系统,带状电子注传输距离超过10cm。最后进行了注-波互作用PIC模拟,在90-100GHz的频带内输出功率大于55W。3.开展了W波段平顶正弦波导行波管的实验研究。对W波段平顶正弦波导行波管高频系统的各个部件、带状注电子枪和磁聚焦系统进行了工艺实验研究;对带状注电子光学系统流通率进行测试;并开展了行波管热测实验。测试结果表明:在90-100GHz的频率范围内,盒型窗驻波比小于1.3,整个高频系统驻波比小于1.8;在PCM磁聚焦系统的聚束下,电子流通率达到87.15%,传输距离超过10cm;W波段平顶正弦波导行波管在90-100GHz的频率范围内,输出功率大于30W,增益大于16d B,3d B带宽大于10GHz;在96GHz处有最大输出功率54.5W,增益为18.5d B。4.提出了双段平顶正弦波导行波管的设计方案。采用双段平顶正弦波导慢波结构以及相速跳变技术获得了W波段宽带大功率行波管高频互作用方案,在电压19k V,电流200m A的条件下,在90-100GHz频率范围内输出功率大于140W,增益超过31.5d B;在94GHz处,最大输出功率为276W,增益为34.4d B。5.提出了双注平顶正弦波导慢波结构。该结构具有两个带状电子注通道,在不增大电流密度的情况下,可以成倍地增加行波管的输入电流,而且仍然保持宽带和低损耗特性;注-波互作用模拟结果表明:在89-100GHz的频率范围内,输出功率大于500W,增益超过37d B;在93GHz处有最大输出功率756.6W,增益为38.73d B。双注平顶正弦波导的提出为进一步提升行波管的输出功率和增益带来一种新思路。
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