G波段帶狀束返波管及Ku波段帶狀束行波管高頻結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、在微波、毫米波和太赫茲波輻射源的研究中，帶狀電子注相比于傳統(tǒng)的柱狀電子注，由于具備了較大的互作用面積、較低的工作電流密度、較好的熱耗散能力和易于永磁包裝等優(yōu)點(diǎn)使得該類(lèi)器件成為了高頻率大功率輻射源的首選目標(biāo)。帶狀注器件的永磁包裝特性使得電子系統(tǒng)更易小型化和集成化，更適合于彈載、機(jī)載、艦載和星載等平臺(tái)；而工作在太赫茲波段的高功率源在高精度雷達(dá)、高速數(shù)據(jù)通信、醫(yī)學(xué)成像、頻譜學(xué)和射電天文學(xué)等諸多領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前帶狀電子注器件的發(fā)展

2、方向主要包括兩類(lèi)：一類(lèi)是以產(chǎn)生高頻率為目標(biāo)的太赫茲真空電子輻射源；另一類(lèi)則是具備結(jié)構(gòu)小、重量輕的高功率小型化器件。這些器件的快速發(fā)展使得毫米波在未來(lái)的國(guó)防領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重大的戰(zhàn)略意義和價(jià)值。
　　本學(xué)位論文主要涉及到了兩款帶狀注器件的設(shè)計(jì)分析和工程化實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是工作于G波段（140-220GHz）的帶狀注返波管，區(qū)別于常規(guī)的熱陰極電子槍?zhuān)摲挡ü懿捎昧烁吡炼群痛箅娏髅芏鹊内I火花放電等離子體陰極進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)，同時(shí)不需要外加

3、聚焦磁場(chǎng)進(jìn)行約束，最終的熱測(cè)實(shí)驗(yàn)成功檢測(cè)到了太赫茲輸出信號(hào)波形。另一個(gè)則是為工作于 Ku波段（12-18GHz）的帶狀注行波管設(shè)計(jì)了高頻慢波結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的寬帶輸入輸出耦合組件，針對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了雙模工作來(lái)擴(kuò)展工作頻帶的有效驗(yàn)證，基于遺傳算法對(duì)行波管的效率提升進(jìn)行了深入的研究和探討。此外對(duì)連續(xù)波工作狀態(tài)下的行波管高頻結(jié)構(gòu)提出了具有較好性能的冷卻方案。
　　本論文所開(kāi)展的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)分別如下：
　?。?）利用考慮了電路

4、損耗、空間電荷效應(yīng)以及注-波同步因子的Pierce小信號(hào)理論分析了帶狀束返波管和行波管的起振特性和增長(zhǎng)率，給出了隨著多種物理參量的變化趨勢(shì)，與模擬結(jié)果取得了很好的一致性。
　?。?）利用贗火花放電中空陰極產(chǎn)生了具有高亮度、大電流密度的強(qiáng)流電子束，該電子束在不需要外加聚焦磁場(chǎng)的情況下可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。返波管熱測(cè)中捕獲了較好的帶狀束截面圖像，成功在G波段檢測(cè)到了太赫茲輸出信號(hào)。
　?。?）采用曲線(xiàn)Bra gg諧振腔和多級(jí)弱匹配

5、技術(shù)對(duì)帶狀束行波管的輸入輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)提升耦合器的工作帶寬以及降低由反射所引起的行波管振蕩起到了很好的抑制作用。
　?。?）提出并設(shè)計(jì)了一種針對(duì)交錯(cuò)柵結(jié)構(gòu)的側(cè)面分段加載衰減陶瓷方案，能夠在不引起結(jié)構(gòu)尺寸和附加反射二次增加的基礎(chǔ)上，對(duì)寄生振蕩進(jìn)行有效抑制，同時(shí)該結(jié)構(gòu)不受聚焦磁體空間的限制，易于在慢波結(jié)構(gòu)寬邊進(jìn)行擴(kuò)展和進(jìn)行高強(qiáng)度冷卻。
　　（5）區(qū)別于交錯(cuò)柵的單模工作，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了采用具有-1次和-2次空間諧波特性的

6、兩個(gè)低階模式TE10和TM11工作的寬帶行波管，該雙模工作行波管能夠有效地將工作帶寬擴(kuò)展近1倍。
　　（6）采用了曲線(xiàn)柵齒和相位重匹配技術(shù)，并將遺傳算法應(yīng)用在了注-波互作用效率的提升上，使得行波管的工作效率和增益特性獲得了明顯的提升和改善。
　　（7）將微通道換熱概念引入到連續(xù)波行波管冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，針對(duì)連續(xù)波工作需求，設(shè)計(jì)了具有高熱容量和熱處理能力的冷卻方案，通過(guò)對(duì)微波吸收和電子截獲所造成的熱損耗進(jìn)行熱性能和應(yīng)力分析證實(shí)該