W波段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、微型真空電子器件近期得到了蓬勃的發(fā)展，這種器件的小型互作用電路的研發(fā)也取得了另人矚目的成果，已經(jīng)成為當(dāng)前真空電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。微型真空電子器件充分結(jié)合了微波真空電子器件的工作原理和微細(xì)加工的特點(diǎn)，既適合高頻、大功率應(yīng)用，能夠適應(yīng)寬廣的溫度范圍和強(qiáng)輻射環(huán)境，又實(shí)現(xiàn)了微細(xì)加工技術(shù)高精度、低成本、高可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)，滿足高頻器件對(duì)加工十分苛刻的要求。折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)是一種全金屬結(jié)構(gòu)，在高頻應(yīng)用中具有大功率、寬頻帶、便于微細(xì)加工等特點(diǎn)，微型折

2、疊波導(dǎo)行波管可以作為一種毫米波、甚至亞毫米波小型輻射源。針對(duì)軍事電子裝備、雷達(dá)系統(tǒng)、通訊等應(yīng)用的需求，W波段折疊波導(dǎo)行波管的研究對(duì)于該波段的這種新型器件的開(kāi)拓有重要作用。 本論文以W波段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)為研究題目，研究目的在于為利用微細(xì)加工技術(shù)制造微型折疊波導(dǎo)行波管奠定理論和實(shí)際的基礎(chǔ)，主要對(duì)W波段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行理論分析、初步設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和初步實(shí)驗(yàn)探討，論文的主要內(nèi)容如下： 前言介紹了行波管的發(fā)展歷史

3、和目前真空電子器件主要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)微型真空電子器件及場(chǎng)致發(fā)射陣列陰極的發(fā)展歷史及其技術(shù)水平進(jìn)行了詳細(xì)、全面的論述。 對(duì)折疊波導(dǎo)慢波電路的理論進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要冷特性參數(shù)一色散特性和耦合阻抗的公式；分別給出了u型彎曲和直角彎曲折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的等效電路分析方法；折疊波導(dǎo)行波管理論通過(guò)小信號(hào)理論分析，并且給出了通過(guò)小信號(hào)參量近似估算互作用效率的方法。 基于上述理論，使用MathWorks公司的

4、計(jì)算軟件MATLAB對(duì)W波段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的冷參數(shù)特性進(jìn)行了理論計(jì)算。計(jì)算主要包括了色散關(guān)系以及軸線耦合阻抗，其中色散特性結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)初步綜合設(shè)計(jì)的W波段折疊波導(dǎo)慢波電路的冷帶寬達(dá)到36.2％。全面總結(jié)了折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)冷特性參數(shù)的影響，這些規(guī)律對(duì)初步綜合設(shè)計(jì)中幾何參數(shù)的優(yōu)化有重要的指導(dǎo)作用。本論文還對(duì)W波段折疊波導(dǎo)行波管小信號(hào)理論進(jìn)行了計(jì)算，分析了增益參量、空間電荷參量和速度參量等小信號(hào)參量，給出了四十八個(gè)幾何周期W波段

5、折疊波導(dǎo)行波管小信號(hào)增益曲線，在中心頻率增益為29.4dB，利用小信號(hào)參量估算互作用效率為4.58％。在設(shè)計(jì)的初步階段采用了綜合設(shè)計(jì)的方法，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合預(yù)設(shè)的初始參量通過(guò)折疊波導(dǎo)慢波電路理論和小信號(hào)分析對(duì)幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化，輸出功率的計(jì)算通過(guò)使用小信號(hào)參量估算互作用效率間接進(jìn)行的，如果不滿足輸出功率技術(shù)指標(biāo)，則根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整初始參量數(shù)值后，重復(fù)上述的設(shè)計(jì)過(guò)程直到所有技術(shù)指標(biāo)要求都得到滿足。使用MATLAB編制了相應(yīng)的設(shè)計(jì)程序，得

6、到了U型彎曲和直角彎曲的W波段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和電子注參數(shù)。 利用CST公司的電磁計(jì)算軟件MAFIA模擬了W波段折疊波導(dǎo)慢波電路的冷參數(shù)特性，模擬的結(jié)果與理論分析具有很好的一致性。使用電火花線切割技術(shù)得到了Ka波段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，用于W波段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的等比放大實(shí)驗(yàn)，等比放大實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示色散特性的測(cè)試值與模擬值完全符合。論文還對(duì)輸入/輸出耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討，考慮工藝可行性和傳輸特性提出了三種方案，利用MAFIA

7、模擬了6mm雙向線性波導(dǎo)漸變器的S參數(shù)，結(jié)果顯示中心頻率的反射系數(shù)小于0.1。 論文重點(diǎn)研究了利用MAFIA軟件的TS3模塊對(duì)W波段折疊波導(dǎo)行波管進(jìn)行三維注波互作用模擬，給出了模擬的一般步驟和計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，模擬了不同互作用區(qū)長(zhǎng)度的小信號(hào)增益曲線，與小信號(hào)理論相比，在中心頻率，十六和二十四個(gè)幾何周期增益相對(duì)誤差分別為3.68％和1.79％。對(duì)四十八個(gè)幾何周期W波段折疊波導(dǎo)行波管進(jìn)行了重點(diǎn)分析，得到了比較全面的模擬結(jié)果。根據(jù)最

8、大小信號(hào)增益和最大輸出功率條件進(jìn)行優(yōu)化，工作電壓分別為17.5kV和17.65kV。對(duì)應(yīng)最大小信號(hào)增益，優(yōu)化的電壓使中心頻率的互作用效率提高到12.29％。92GHz、94GHz和96GHz功率特征曲線顯示，它們的飽和輸出功率分別為271W、329W和366W，達(dá)到飽和狀態(tài)所需的輸入功率分別為0.4w、0.8W和1.6W。當(dāng)輸入功率為0.41W時(shí)，瞬時(shí)帶寬達(dá)到9％，覆蓋了從88.5GHz到97GHz的頻率范圍，此時(shí)在93GHz得到最大輸

9、出功率為281W。 初步探討了適用于W波段及以上頻段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的微加工技術(shù)。在諸多的微加工技術(shù)中，UV-LIGA技術(shù)、深反應(yīng)離子刻蝕和電火花切割技術(shù)被認(rèn)為具有較高的可行性，其中UV-LIGA由于其開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)將作為下一步研究的重點(diǎn)。 微型真空電子器件對(duì)電子源提出了很高的要求，Spindt陰極電子槍是一種很有吸引力的選擇，它具有很多引人注目的優(yōu)點(diǎn)，例如高發(fā)射電流密度、室溫工作、低工作電壓等。對(duì)

10、Spindt陰極電子槍的關(guān)鍵技術(shù)一電子注的聚焦進(jìn)行了模擬、分析和必要的工藝實(shí)驗(yàn)。在諸多的聚焦方法中，采用了聚焦效果最佳的同軸局部聚焦。使用IES公司的LORENTZ 2D軟件模擬了同軸聚焦Spindt陰極微尖，分析了聚焦電極電壓和位置對(duì)聚焦效果的影響，得到了綜合考慮發(fā)射能力和聚束效果的雙柵極同軸Spindt陰極的幾何尺寸。在大功率微波電真空器件技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室參與了雙柵極Spindt陰極樣品的工藝制作過(guò)程，掌握了基本的制作工藝。折