交錯雙柵慢波結構的應用研究.pdf

1、慢波結構是線性注微波真空電子器件實現(xiàn)微波信號的產(chǎn)生或放大的最核心部件。帶狀電子注器件相比于傳統(tǒng)圓形電子注器件，因為可以明顯提高輸出功率而成為真空電子器件的一個新的發(fā)展方向。工作在微波及毫米波低頻段的真空電子器件研究相對成熟，有不少管型已成功應用于國防和民用領域。在中小功率領域的應用中很多真空器件逐漸被不斷發(fā)展的微波固態(tài)器件所替代，而在毫米波的高頻部分特別是3mm及以上的頻段，固態(tài)器件的應用還很少。真空電子器件可以輕松地工作到這些頻段，但

2、是對工作在這些頻段的器件研究還相對薄弱。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對器件的工作頻段要求越來越高，希望得到的功率也越來越大，這也成為了我們對真空電子器件的一個追求目標。因此對工作在短毫米波的大功率微波真空電子器件的研究具有較高的價值和現(xiàn)實意義。
　　本論文以交錯雙柵慢波結構為研究出發(fā)點，從理論、模擬計算和實驗等方面深入地研究了基于帶狀電子注工作的 W波段、140GHz頻段大功率行波管和返波振蕩器，研究了一種適用于圓形電子注工作的交錯雙柵行

3、波管。提出了這類器件的高頻系統(tǒng)部件，提出了適用于帶狀電子注器件的電子光學系統(tǒng)。提出將虛邊界元法應用于行波管多級降壓收集極的計算。論文的主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　一、深入研究了交錯雙柵結構的模式結構、場結構、空間諧波、色散特性和耦合阻抗，將該結構應用于行波管，提出了適用于該類行波管的慢波電路過渡結構、輸入輸出結構，解決了基于該慢波結構的行波管高頻系統(tǒng)衰減和反射大等難題。提出了一種既能保持電路反射系數(shù)小，又能抑制行波管振蕩的集中衰減

4、器，保證了行波管的穩(wěn)定工作。構建了工作在W波段和140GHz頻段的帶狀電子注交錯雙柵行波管，計算結果顯示這類行波管具比較大的輸出功率和比較寬的工作頻帶，為將來研制寬帶大功率短毫米波行波管奠定了基礎。
　　二、提出將交錯雙柵慢波結構應用于W波段和140GHz頻段帶狀電子注返波振蕩器。分析了將交錯雙柵結構作為返波振蕩器電路最適合的工作模式和工作諧波，從理論上預測返波振蕩器的工作頻帶及對應的調(diào)諧電壓范圍。提出了振蕩器的慢波電路過渡結構和

5、輸出結構，構建了工作在兩個頻段的返波振蕩器。計算結果顯示，這兩只返波振蕩器均能在較寬頻帶內(nèi)得到瓦級以上的穩(wěn)定功率輸出。該研究為大功率短毫米波輻射源提供了一種解決方案。
　　三、提出了一種帶狀注電子槍，發(fā)明了一種帶狀注多級降壓收集極，并設計了一種PCM磁聚焦系統(tǒng)，構成了一套帶狀注器件電子光學系統(tǒng)。模擬計算結果顯示，電子槍能夠提供滿足需求的電子注，聚焦系統(tǒng)可以實現(xiàn)帶狀注的良好聚焦，多級降壓收集極中電子在電極內(nèi)壁的“著陸”較均勻，電子回

6、流率小，收集效率高。該研究提供了一套完整的帶狀注器件電子光學系統(tǒng)解決方案，為高效率帶狀電子注器件的研制打下了基礎。
　　四、為了解決帶狀注行波管的聚焦困難，通過對常規(guī)交錯雙柵慢波結構變形，將其應用在了W波段圓形電子注行波管。計算結果顯示該行波管在88-103GHz頻帶內(nèi)可得到大于200W的峰值功率輸出。這只圓形注行波管對聚焦要求不高，工程實現(xiàn)相對容易，適用于不需要大功率的應用場合。
　　五、提出將虛邊界元法這種數(shù)值計算方法應

7、用于多級降壓收集極的計算，論證了該方法用于計算軸對稱收集極的理論基礎。它可以解決計算開敞結構時普通方法計算不準確的問題，也解決了邊界元法會遇到的奇異積分的問題，這種方法具有計算速度快，計算精度高的特點。編寫了基于該方法的二維多級降壓收集極計算機代碼，并計算了軸對稱多級降壓收集極，得到了良好的計算結果。該方法對于指導高效率收集極的設計具有實用價值。
　　六、提出了W波段帶狀電子注交錯雙柵行波管高頻系統(tǒng)的加工方案，分別加工了慢波電路及