帶狀電子注行波管的理論與實驗研究.pdf

1、近年來，作為一種常規(guī)的 O型微波真空電子器件，當(dāng)行波放大器工作在毫米波及亞毫米波段時，由于尺寸共渡效應(yīng)，器件尺寸變的非常小，并且導(dǎo)致了一系列的問題，如：小尺寸的部件加工制作非常困難；小尺寸的部件能夠允許通過的電流降低，從而導(dǎo)致器件的性能急劇下降，比如器件的輸出功率和電子效率降低。為了解決上述難題，并且提高器件的性能，我們用帶狀電子注取代原來傳統(tǒng)的圓型電子注。
　　帶狀電子注相對于傳統(tǒng)的圓型電子注而言具有一下幾個明顯的優(yōu)點：1、它擁

2、有更大的橫向尺寸，即更大的橫截面積，因此在相同電流密度下，帶狀電子注能夠傳輸更大電流，從而增加電子注的直流功率容量；2、相同電流強(qiáng)度下，大的橫截面積使得帶狀電子注擁有更小的電流密度，從而有更小的空間電荷效應(yīng)；3、平面型帶狀電子注器件更有利于器件向平面化、集成化、小型化、高工作頻率、高輸出功率方向發(fā)展。因此帶狀電子注器件能夠在毫米波、亞毫米波甚至太赫茲波段相對寬的頻帶內(nèi)，提供較高的輸出功率，是一種非常有潛力的大功率器件。
　　在眾多

3、適合帶狀電子注工作的慢波結(jié)構(gòu)中，交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)是一種新型慢波結(jié)構(gòu)，它具有以下幾個明顯優(yōu)勢：1、全金屬結(jié)構(gòu)，散熱性能好，能夠允許大功率器件工作；2、擁有天然的帶狀電子注通道，非常適合帶狀電子注工作；3、色散特性溫和，擁有較寬的工作帶寬以及較高的耦合阻抗；4、結(jié)構(gòu)簡單，二維平面型結(jié)構(gòu)，非常適用于微機(jī)電子系統(tǒng)加工制造。
　　本學(xué)位論文基于帶狀電子注以及交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，從仿真設(shè)計角度及工程實驗角度設(shè)計了五只帶狀電子注行波管：1、

4、仿真設(shè)計了一只工作在220GHz的交錯雙柵行波管；2、仿真設(shè)計了一只工作在220GHz的帶狀雙注大功率行波管；3、仿真設(shè)計了一只工作在220GHz的相速跳變大功率行波管；4、仿真設(shè)計并實驗驗證了一只閉合型PCM聚焦的Ka波段帶狀電子注行波管；5、仿真設(shè)計并實驗測試了一只開敞型PCM聚焦的Ka波段帶狀電子注行波管。
　　本學(xué)位論文所開展的主要工作及創(chuàng)新點如下所示：
　?。?）為了有效地抑制行波管中的返波振蕩，提出了一種新型加載

5、衰減器的方法，應(yīng)用于220GHz帶狀電子注行波管，該方法比傳統(tǒng)加載衰減器的方法更簡單有效；為了簡單有效地控制帶狀電子注的形狀及電流密度，提出了一種改進(jìn)的太赫茲帶狀電子注電子槍的設(shè)計方法，該方法能夠方便設(shè)計人員快速有效地設(shè)計出理想的帶狀電子注。
　?。?）為了解決多電子注行波管注耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計困難的難題，提出利用 Y型分支波導(dǎo)作為輸入輸出結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，解決了220GHz帶狀雙注大功率行波管的輸能結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。
　?。?）為了進(jìn)

6、一步提高行波管的輸出功率，成功將相速跳變技術(shù)運用到220GHz交錯雙柵大功率行波管中。相速跳變技術(shù)通過改變慢波結(jié)構(gòu)的尺寸，從而改變慢波結(jié)構(gòu)中微波信號的相速度，使其與互作用過后的電子注速度實現(xiàn)再同步，重新激勵起有效的注-波互作用，實現(xiàn)輸出功率的進(jìn)一步提高。為了解決高頻率下，小尺寸輸能結(jié)構(gòu)難加工的難題，提出了一種更利于微機(jī)電加工技術(shù)的E面彎曲輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)，并且通過UV-LIGA技術(shù)對太赫茲慢波結(jié)構(gòu)加工的可行性進(jìn)行了初步的實驗探索和討論。

7、
　?。?）提出了一種新型小型化可調(diào)開敞型PCM聚焦系統(tǒng)，應(yīng)用于Ka波段交錯雙柵行波管中。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)極靴的位置能夠方便有效地調(diào)節(jié)磁場By分量的大小，進(jìn)而方便有效地聚焦帶狀電子注的寬邊。優(yōu)化了一種非均勻的PCM聚焦系統(tǒng)，使得帶狀電子注能夠在220GHz行波管高頻系統(tǒng)中實現(xiàn)100％流通。
　?。?）利用交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)成功研制出兩只帶狀電子注行波管。仿真工作主要包括，優(yōu)化設(shè)計Ka波段交錯雙柵行波管的高頻系統(tǒng)及電子光學(xué)系統(tǒng)全部