毫米波带状注扩展互作用振荡器研究

发布时间：2020-07-20 11:39

【摘要】：毫米波通常指波长在1-10mm之间,工作频率在30GHz到300GHz之间的电磁波。毫米波技术在国防、人工检测、5G通信、无人驾驶汽车等方面有着巨大的应用。毫米波振荡器是毫米波技术的重要组成部分,具有重大的研究价值。扩展互作用速调管和扩展互作用振荡器统称为扩展互作用器件。其中扩展互作用速调管(EIK)是一种放大器,已被用作高功率毫米波真空设备的重要来源。ElO在科学,商业和军事应用中发挥着重要作用,如通信,雷达,发射机,大气传感和近物体分析。EIO的相互作用腔是短波慢波结构,它利用了行波管(TWT)和速调管的优点。而常见的扩展互作用振荡器有圆柱的EIO和带状注的EIO。圆柱与带状注的区分在于它们的电子通道。其中在传统圆柱EIO难以产生大功率,因为谐振腔中的尺寸小和大电流密度。带状注的EIO可以明显降低光束的电流密度,从而降低光束的自由空间电荷效应。与圆柱EIO相比,可以承载更大的电流,从而增强光束功率,实现高输出功率。比如CIP公司的研究人员设计了一种高频CW可调谐EIO,工作频率为264GHz,输出功率为1W。带状注EIO比圆柱EIO在相同情况下,其散热效果更好,能产生高的功率。本论文展开对毫米波带状注扩展互作用振荡器的探究。设计Ka波段的高频结构,讨论间隙数目与特性阻抗及输出功率的关系。又基于电子通道和输出端口不变的情况下,展开耦合腔和互作用间隙及耦合口的参数改变对谐振频率、特性阻抗、场强分布的影响,并进行耦合腔和互作用间隙的参数改变对色散曲线的影响。最终成功的设计出了在电子注0.8mm×3.2mm下,电子注进入1mm×4mm的电子通道,在工作电压15.5kV、工作电流4A、工作频率在33.57GHz的情况下,最终达到了输出功率14.9kW,电子效率为24%的Ka波段带状注扩展互作用振荡器。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN752
【图文】：

电磁频谱,硕士学位论文,电子科技大学,毫米波

电磁频谱划分[11]

电磁波

大气对电磁波的衰减[12]

慢波结构,互作用,谐振腔,速调管

扩展互作用器件有两种：分别是扩展互作用振荡器和扩展互作用速调管。其工作原理是经过处理后使慢波线结构的两端短路，构成慢波结构的高频谐振系统。电子注和电磁波在慢波结构处经过多次互作用，充分换能，提高了能量转换效率，实现了大功率连续功率输出，给真空电子器件注入了新鲜血液。EID 的高频结构特点具有大功率的速调管特点，又兼具行波管的宽带特点，是对传统慢波结构改造而成的谐振腔。目前，拥有的这样结构的谐振腔中有休斯腔结构，折叠波导，梯形结构及其改进的结构等，其中休斯慢波结构是 W.R.Day 及 J.A.Noland 在 1966 年，实验室研究毫米波 EIO 所使用的的结构，如图 1-3 所示，如图 1-4、1-5 所示，2000 年，台湾学者对传统休斯结构进行了改进，在原有结构基础上添加一段漂移区，用来预备电子注的群聚，其长度为 /4，并将输出能量的腔和群聚段分离，成功设计了一种复杂的谐振腔的毫米波段的 EIO，实验测得在工作频率为 16.66GHz 时，可以获得功率 2.2kW、效率 30%的表现[42-44]。休斯结构的慢波系统采用全金属组件，工作稳定，散热性能好，但随着频率向毫米波频段上扩展，越来越复杂的慢波结构对制造和装配提出了挑战。

【参考文献】