毫米波可集成化双模行波管研究
发布时间：2021-06-26 06:43
微波电真空器件是利用带电粒子与电磁波信号进行互作用,将电子注的能量交给电磁波信号的一大类器件。行波管作为一种电真空器件,在电磁应用领域具有重要的地位。随着科技的发展,人们对电磁波的研究和应用已经进入毫米波和太赫兹领域,由于行波管的结构尺寸随着频率的升高而急剧减小,使功率容量下降,所以在高频率下提高行波管的输出功率成为一项重要的工作,而通过集成化的功率合成等手段是提高行波管输出功率的有效方法。双模行波管作为行波管的一种,工作于高低两种模式下,在雷达、电子对抗等领域有着重要的应用。本论文的主要研究内容如下:（1）Ka波段介质支撑悬置线双模行波管研究。首先对慢波结构高频特性进行计算分析,最终根据设计要求确定慢波结构尺寸。其次建立全周期模型并计算传输特性,在27GHz-32GHz频带范围内,回波损耗低于-15dB。然后计算了行波管高、低模式下的注波互作用情况,27GHz-32GHz频带范围内,低模式:工作电压4700V,电流0.11A,输出功率高于24W,最大输出功率可达54.2W,增益为20.35dB;高模式:工作电压4700V,电流0.15A,输出功率高于28W,最大输出功率可达72.5W...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
行波管结构示意图
第一章绪论3来的热耗散问题，同时使用降压收集极来回收电子流，提高效率。1.3.2双模行波管双模行波管是行波管的一种，多用于机载雷达和电子对抗系统。这种行波管具有两种工作状态：一种被称为低模状态，工作于连续波状态，输出峰值功率较低，多用于机载雷达向下进行对地观测，以及在电子对抗中以连续波的工作方式对敌方进行阻塞式干扰；另一种被称为高模状态，通常工作于脉冲波状态，输出功率比低模式要高，一般用于机载雷达向上和向前搜索远距离目标，以及在电子对抗中以脉冲波的工作方式对敌方进行欺骗式干扰[8]。由于慢波结构所确定的同步电压不能改变，而低模和高模两种工作状态的输出峰值功率不同，所以只能改变工作电流。要得到不同的电流，需要重新对电子枪进行改进，可以采用栅极控制或双阳极等方法，通过改变栅极或阳极电压，从而得到不同的电流。而且要求两种模式转换速度要快、切换电压要低。最常见的是无截获栅控枪，这种枪结构简单，在脉升比较低的情况下(3dB)，高低模转换时电子注状态稳定，输入功率可以保持不变。当脉升比较高时，可以使用图1-2所示电子枪，此时的栅极分为内栅与外栅，低模时，只有内栅处于工作电压，外栅处于截止电压，阴极发射的电流较小；高模时，内外栅均处于工作电压，阴极发射电流较大。图1-2栅控电子枪还有一种得到双模电子枪的方式是使用双阳极的方式来实现，如图1-3所示。通过调整第一阳极的电位可以得到不同大小的电流。这种双阳极电子枪可以避免电子的截获，并且在不同导流系数下，对电子注的聚焦并无严重的影响[9]。
电子科技大学硕士学位论文4图1-3调制阳极电子枪对于双模行波管的研究，在国外，美国瓦里安联合公司研制的机载电子对抗用X波段双模行波管[10]，频率范围9.6-9.8GHz，连续波输出功率500W，脉冲输出功率700W，两种模式下的增益分别为40.5dB和30.5dB。美国微波公司研制的S波段双模行波管[11]，连续波模式和脉冲模式下的增益分别为26dB和32dB，两种工作模式下的效率分别为21-27%，23-29%。2017年，加州大学提出了一种装备可调水平聚焦电极并可提供不同电流的双模电子枪[12]，使用该电子枪设计出了一种工作于0.2THz的双模行波管。该管采用高密度带状电子束进行脉冲模式工作，对于连续波模式采用低电流带状束。在连续波模式下，电子枪输出0.0866A电流，该管在190GHz-210GHz频率范围内输出功率超过10W；在脉冲模式下，电子枪输出0.2126A电流，在190GHz-210GHz频率范围内输出功率超过100W。在国内，北京真空电子技术研究所研制出了X波段大功率双模行波管[13]。该管采用了中心杆控双模电子枪，以此来达到大工作比的要求。另外电子枪的阴极电流密度为8A/cm2，可以较大程度地减小电子枪的截止负偏压。该管在低模下的输出功率为600W，高模下输出功率为4000W。目前双模行波管的研究大多集中在低频传统螺旋线结构，本文采用平面微带慢波结构对双模行波管进行研究，可以使器件体积更小，同时具有慢波结构可集成化的优势，满足电子对抗需求。1.3.3行波管的集成化和固态器件相比，真空器件输出功率大，效率高，但是体积较大，集成度不高，一致性难以保证。随着电子、通信等领域的发展，对真空器件的小型化、集成化要求更加迫切。随着5G技术的迅速崛起，对通信行波管的小型化、低成本、可以批量制造的要求越来越高。其次为了使现有的行波管适用于有源相控阵
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于波导-微带转换的X波段功率分配/合成网络设计[J]. 臧恒,徐小帆,裴政,夏熙. 雷达与对抗. 2019(03)
[2]微波功率行波管及模块的应用发展趋势[J]. 王斌,王风岩,周旭,郝保良,寇建勇. 真空电子技术. 2019(02)
[3]适用于Ka波段圆形电子注行波管的半圆形卷绕微带线慢波结构（英文）[J]. 丁冲,李倩,雷霞,吴钢雄,杨睿超,宫玉彬,王文祥,魏彦玉. 红外与毫米波学报. 2018(03)
[4]平面化慢波结构行波管的研究[J]. 王战亮,王禾欣,许多,何腾龙,李新义,巩华荣,路志刚,段兆云,魏彦玉,宫玉彬. 真空电子技术. 2018(02)
[5]超小型器件和微波功率模块的发展——真空电子和微波光子技术的融合[J]. 廖复疆. 真空电子技术. 2018(01)
[6]多注行波管的特点及发展[J]. 任振国,李荣,朱刚,王昊,吴磊,贺兆昌,邓光晟,李林. 真空电子技术. 2017(04)
[7]太赫兹用石英基板微带电路制作工艺技术[J]. 白浩,王平,张晶. 太赫兹科学与电子信息学报. 2016(01)
[8]某型行波管寿命评估与试验[J]. 徐志兵,王冠峰. 航空维修与工程. 2015(02)
[9]0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究[J]. 颜胜美,苏伟,王亚军,徐翱,陈樟,金大志,向伟. 物理学报. 2014(23)
[10]微加工电化学沉积锌牺牲层工艺[J]. 姜政,丁桂甫,吴惠菁,张冬梅. 压电与声光. 2006(06)
博士论文
[1]新型平面型级联行波管研究[D]. 诸葛天祥.电子科技大学 2015
[2]Ka波段回旋放大器及W波段带状束电子光学系统的研究[D]. 王建勋.电子科技大学 2010
硕士论文
[1]应用于MPM的X波段小型化行波管的研究[D]. 崔灿.电子科技大学 2019
[2]皮秒激光加工系统研制及工艺试验研究[D]. 王成.江苏大学 2018
[3]V波段的微带曲折慢波结构研究[D]. 李小普.电子科技大学 2018
[4]高压缩比带状注电子枪研究[D]. 杨柳莎.电子科技大学 2017
[5]短毫米波带状注器件电子枪的设计[D]. 王兵.电子科技大学 2017
[6]电子枪设计的关键技术研究[D]. 卢姀.电子科技大学 2015
[7]带状注行波管电子光学系统的设计与应用[D]. 雷伦昌.电子科技大学 2015
[8]带状双电子注的成形与传输特性研究[D]. 汤华昆.电子科技大学 2013
[9]W波段行波管栅控电子枪的设计与模拟[D]. 刘叶.电子科技大学 2012
本文编号：3250840
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
行波管结构示意图
第一章绪论3来的热耗散问题，同时使用降压收集极来回收电子流，提高效率。1.3.2双模行波管双模行波管是行波管的一种，多用于机载雷达和电子对抗系统。这种行波管具有两种工作状态：一种被称为低模状态，工作于连续波状态，输出峰值功率较低，多用于机载雷达向下进行对地观测，以及在电子对抗中以连续波的工作方式对敌方进行阻塞式干扰；另一种被称为高模状态，通常工作于脉冲波状态，输出功率比低模式要高，一般用于机载雷达向上和向前搜索远距离目标，以及在电子对抗中以脉冲波的工作方式对敌方进行欺骗式干扰[8]。由于慢波结构所确定的同步电压不能改变，而低模和高模两种工作状态的输出峰值功率不同，所以只能改变工作电流。要得到不同的电流，需要重新对电子枪进行改进，可以采用栅极控制或双阳极等方法，通过改变栅极或阳极电压，从而得到不同的电流。而且要求两种模式转换速度要快、切换电压要低。最常见的是无截获栅控枪，这种枪结构简单，在脉升比较低的情况下(3dB)，高低模转换时电子注状态稳定，输入功率可以保持不变。当脉升比较高时，可以使用图1-2所示电子枪，此时的栅极分为内栅与外栅，低模时，只有内栅处于工作电压，外栅处于截止电压，阴极发射的电流较小；高模时，内外栅均处于工作电压，阴极发射电流较大。图1-2栅控电子枪还有一种得到双模电子枪的方式是使用双阳极的方式来实现，如图1-3所示。通过调整第一阳极的电位可以得到不同大小的电流。这种双阳极电子枪可以避免电子的截获，并且在不同导流系数下，对电子注的聚焦并无严重的影响[9]。
电子科技大学硕士学位论文4图1-3调制阳极电子枪对于双模行波管的研究，在国外，美国瓦里安联合公司研制的机载电子对抗用X波段双模行波管[10]，频率范围9.6-9.8GHz，连续波输出功率500W，脉冲输出功率700W，两种模式下的增益分别为40.5dB和30.5dB。美国微波公司研制的S波段双模行波管[11]，连续波模式和脉冲模式下的增益分别为26dB和32dB，两种工作模式下的效率分别为21-27%，23-29%。2017年，加州大学提出了一种装备可调水平聚焦电极并可提供不同电流的双模电子枪[12]，使用该电子枪设计出了一种工作于0.2THz的双模行波管。该管采用高密度带状电子束进行脉冲模式工作，对于连续波模式采用低电流带状束。在连续波模式下，电子枪输出0.0866A电流，该管在190GHz-210GHz频率范围内输出功率超过10W；在脉冲模式下，电子枪输出0.2126A电流，在190GHz-210GHz频率范围内输出功率超过100W。在国内，北京真空电子技术研究所研制出了X波段大功率双模行波管[13]。该管采用了中心杆控双模电子枪，以此来达到大工作比的要求。另外电子枪的阴极电流密度为8A/cm2，可以较大程度地减小电子枪的截止负偏压。该管在低模下的输出功率为600W，高模下输出功率为4000W。目前双模行波管的研究大多集中在低频传统螺旋线结构，本文采用平面微带慢波结构对双模行波管进行研究，可以使器件体积更小，同时具有慢波结构可集成化的优势，满足电子对抗需求。1.3.3行波管的集成化和固态器件相比，真空器件输出功率大，效率高，但是体积较大，集成度不高，一致性难以保证。随着电子、通信等领域的发展，对真空器件的小型化、集成化要求更加迫切。随着5G技术的迅速崛起，对通信行波管的小型化、低成本、可以批量制造的要求越来越高。其次为了使现有的行波管适用于有源相控阵
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于波导-微带转换的X波段功率分配/合成网络设计[J]. 臧恒,徐小帆,裴政,夏熙. 雷达与对抗. 2019(03)
[2]微波功率行波管及模块的应用发展趋势[J]. 王斌,王风岩,周旭,郝保良,寇建勇. 真空电子技术. 2019(02)
[3]适用于Ka波段圆形电子注行波管的半圆形卷绕微带线慢波结构（英文）[J]. 丁冲,李倩,雷霞,吴钢雄,杨睿超,宫玉彬,王文祥,魏彦玉. 红外与毫米波学报. 2018(03)
[4]平面化慢波结构行波管的研究[J]. 王战亮,王禾欣,许多,何腾龙,李新义,巩华荣,路志刚,段兆云,魏彦玉,宫玉彬. 真空电子技术. 2018(02)
[5]超小型器件和微波功率模块的发展——真空电子和微波光子技术的融合[J]. 廖复疆. 真空电子技术. 2018(01)
[6]多注行波管的特点及发展[J]. 任振国,李荣,朱刚,王昊,吴磊,贺兆昌,邓光晟,李林. 真空电子技术. 2017(04)
[7]太赫兹用石英基板微带电路制作工艺技术[J]. 白浩,王平,张晶. 太赫兹科学与电子信息学报. 2016(01)
[8]某型行波管寿命评估与试验[J]. 徐志兵,王冠峰. 航空维修与工程. 2015(02)
[9]0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究[J]. 颜胜美,苏伟,王亚军,徐翱,陈樟,金大志,向伟. 物理学报. 2014(23)
[10]微加工电化学沉积锌牺牲层工艺[J]. 姜政,丁桂甫,吴惠菁,张冬梅. 压电与声光. 2006(06)
博士论文
[1]新型平面型级联行波管研究[D]. 诸葛天祥.电子科技大学 2015
[2]Ka波段回旋放大器及W波段带状束电子光学系统的研究[D]. 王建勋.电子科技大学 2010
硕士论文
[1]应用于MPM的X波段小型化行波管的研究[D]. 崔灿.电子科技大学 2019
[2]皮秒激光加工系统研制及工艺试验研究[D]. 王成.江苏大学 2018
[3]V波段的微带曲折慢波结构研究[D]. 李小普.电子科技大学 2018
[4]高压缩比带状注电子枪研究[D]. 杨柳莎.电子科技大学 2017
[5]短毫米波带状注器件电子枪的设计[D]. 王兵.电子科技大学 2017
[6]电子枪设计的关键技术研究[D]. 卢姀.电子科技大学 2015
[7]带状注行波管电子光学系统的设计与应用[D]. 雷伦昌.电子科技大学 2015
[8]带状双电子注的成形与传输特性研究[D]. 汤华昆.电子科技大学 2013
[9]W波段行波管栅控电子枪的设计与模拟[D]. 刘叶.电子科技大学 2012
本文编号：3250840
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