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)點使得該類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、機載、艦載和星載等平臺；而工作在太赫茲波段的高功率源在高精度雷達、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)用價值。目前帶狀電子注器件的發(fā)展

2、方向主要包括兩類：一類是以產(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的國防領(lǐng)域和國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重大的戰(zhàn)略意義和價值。
　　本學(xué)位論文主要涉及到了兩款帶狀注器件的設(shè)計分析和工程化實現(xiàn)，一個是工作于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，該返波管采用了高亮度和大電流密度的贗火花放電等離子體陰極進行電流驅(qū)動，同時不需要外加

3、聚焦磁場進行約束，最終的熱測實驗成功檢測到了太赫茲輸出信號波形。另一個則是為工作于 Ku波段（12-18GHz）的帶狀注行波管設(shè)計了高頻慢波結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的寬帶輸入輸出耦合組件，針對慢波結(jié)構(gòu)的特點實現(xiàn)了雙模工作來擴展工作頻帶的有效驗證，基于遺傳算法對行波管的效率提升進行了深入的研究和探討。此外對連續(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。
　　本論文所開展的主要工作及創(chuàng)新點分別如下：
　　（1）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小信號理論分析了帶狀束返波管和行波管的起振特性和增長率，給出了隨著多種物理參量的變化趨勢，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、大電流密度的強流電子束，該電子束在不需要外加聚焦磁場的情況下可以進行長距離傳輸。返波管熱測中捕獲了較好的帶狀束截面圖像，成功在G波段檢測到了太赫茲輸出信號。
　?。?）采用曲線Bra gg諧振腔和多級弱匹配

5、技術(shù)對帶狀束行波管的輸入輸出結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計，對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。
　　（4）提出并設(shè)計了一種針對交錯柵結(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，對寄生振蕩進行有效抑制，同時該結(jié)構(gòu)不受聚焦磁體空間的限制，易于在慢波結(jié)構(gòu)寬邊進行擴展和進行高強度冷卻。
　　（5）區(qū)別于交錯柵的單模工作，設(shè)計并驗證了采用具有-1次和-2次空間諧波特性的

6、兩個低階模式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展近1倍。
　?。?）采用了曲線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)計上，針對連續(xù)波工作需求，設(shè)計了具有高熱容量和熱處理能力的冷卻方案，通過對微波吸收和電子截獲所造成的熱損耗進行熱性能和應(yīng)力分析證實該