G波段带状束返波管及Ku波段带状束行波管高频结构研究

发布时间：2017-04-27 17:02

  本文关键词：G波段带状束返波管及Ku波段带状束行波管高频结构研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在微波、毫米波和太赫兹波辐射源的研究中,带状电子注相比于传统的柱状电子注,由于具备了较大的互作用面积、较低的工作电流密度、较好的热耗散能力和易于永磁包装等优点使得该类器件成为了高频率大功率辐射源的首选目标。带状注器件的永磁包装特性使得电子系统更易小型化和集成化,更适合于弹载、机载、舰载和星载等平台;而工作在太赫兹波段的高功率源在高精度雷达、高速数据通信、医学成像、频谱学和射电天文学等诸多领域也有着巨大的应用价值。目前带状电子注器件的发展方向主要包括两类:一类是以产生高频率为目标的太赫兹真空电子辐射源;另一类则是具备结构小、重量轻的高功率小型化器件。这些器件的快速发展使得毫米波在未来的国防领域和国民经济发展中具有重大的战略意义和价值。本学位论文主要涉及到了两款带状注器件的设计分析和工程化实现,一个是工作于G波段(140-220GHz)的带状注返波管,区别于常规的热阴极电子枪,该返波管采用了高亮度和大电流密度的赝火花放电等离子体阴极进行电流驱动,同时不需要外加聚焦磁场进行约束,最终的热测实验成功检测到了太赫兹输出信号波形。另一个则是为工作于Ku波段(12-18GHz)的带状注行波管设计了高频慢波结构以及相应的宽带输入输出耦合组件,针对慢波结构的特点实现了双模工作来扩展工作频带的有效验证,基于遗传算法对行波管的效率提升进行了深入的研究和探讨。此外对连续波工作状态下的行波管高频结构提出了具有较好性能的冷却方案。本论文所开展的主要工作及创新点分别如下:(1)利用考虑了电路损耗、空间电荷效应以及注-波同步因子的Pierce小信号理论分析了带状束返波管和行波管的起振特性和增长率,给出了随着多种物理参量的变化趋势,与模拟结果取得了很好的一致性。(2)利用赝火花放电中空阴极产生了具有高亮度、大电流密度的强流电子束,该电子束在不需要外加聚焦磁场的情况下可以进行长距离传输。返波管热测中捕获了较好的带状束截面图像,成功在G波段检测到了太赫兹输出信号。(3)采用曲线Bragg谐振腔和多级弱匹配技术对带状束行波管的输入输出结构进行了改进设计,对提升耦合器的工作带宽以及降低由反射所引起的行波管振荡起到了很好的抑制作用。(4)提出并设计了一种针对交错栅结构的侧面分段加载衰减陶瓷方案,能够在不引起结构尺寸和附加反射二次增加的基础上,对寄生振荡进行有效抑制,同时该结构不受聚焦磁体空间的限制,易于在慢波结构宽边进行扩展和进行高强度冷却。(5)区别于交错栅的单模工作,设计并验证了采用具有-1次和-2次空间谐波特性的两个低阶模式TE10和TM11工作的宽带行波管,该双模工作行波管能够有效地将工作带宽扩展近1倍。(6)采用了曲线栅齿和相位重匹配技术,并将遗传算法应用在了注-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获得了明显的提升和改善。(7)将微通道换热概念引入到连续波行波管冷却结构设计上,针对连续波工作需求,设计了具有高热容量和热处理能力的冷却方案,通过对微波吸收和电子截获所造成的热损耗进行热性能和应力分析证实该冷却方案具有极好的性能。
【关键词】：太赫兹辐射 带状注返波管 带状注行波管 赝火花放电 连续波工作
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN124
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 太赫兹辐射源简介12-14
• 1.2 带状注器件发展和研究现状14-24
• 1.2.1 带状注行波放大器16-18
• 1.2.2 带状注返波管18-21
• 1.2.3 带状注Smith-Purcell和Cerenkov效应21-22
• 1.2.4 带状注速调放大器22-23
• 1.2.5 带状注电子回旋脉塞23-24
• 1.3 赝火花放电简介24-27
• 1.4 本学位论文的主要工作及意义27-30
• 第二章 G波段带状束返波管高频结构设计30-81
• 2.1 注-波互作用慢波结构30-37
• 2.1.1 色散特性分析31-36
• 2.1.2 损耗及反射特性36-37
• 2.2 返波管小信号理论分析37-50
• 2.2.1 Pierce小信号理论37-42
• 2.2.2 起振电流数值模拟42-47
• 2.2.3 小信号增长率计算47-50
• 2.3 注-波互作用PIC模拟50-54
• 2.3.1 起振电流计算50
• 2.3.2 PIC互作用模拟50-54
• 2.4 Bragg反射器设计与研究54-68
• 2.4.1 多模耦合理论分析及数值计算56-62
• 2.4.2 对称矩形栅Bragg反射器分析和计算62-66
• 2.4.3 带有Bragg反射器的返波管PIC模拟66-68
• 2.5 高频互作用结构加工与测试68-76
• 2.5.1 线切割慢波结构测试68-71
• 2.5.2 3D打印慢波结构测试71-73
• 2.5.3 Bragg反射器加工和测试73-76
• 2.6 辐射喇叭天线及输出窗设计及测试76-81
• 2.6.1 辐射喇叭天线设计77-79
• 2.6.2 输出窗冷测实验79-81
• 第三章 赝火花放电电子束产生和返波管热测实验81-98
• 3.1 气体放电介绍81-84
• 3.2 赝火花放电中空阴极模拟计算84-90
• 3.2.1 单间隙放电模型85-88
• 3.2.2 多间隙放电模型88-90
• 3.3 赝火花放电阴极实验90-94
• 3.4 G波段带状束返波管热测实验94-98
• 第四章 Ku波段带状束行波管高频结构研究98-162
• 4.1 高频慢波结构98-103
• 4.2 介质加载特性研究103-113
• 4.2.1 行波管自激振荡103-108
• 4.2.1.1 反射振荡103-106
• 4.2.1.2 返波振荡106-107
• 4.2.1.3 边带振荡107-108
• 4.2.2 介质加载特性研究108-113
• 4.3 输入输出耦合装置设计113-128
• 4.3.1 输入耦合器设计114-117
• 4.3.1.1 宽带输入耦合器114-116
• 4.3.1.2 具有Bragg反射腔体的输入耦合器116-117
• 4.3.2 输出耦合器设计117-123
• 4.3.3 输入盒型窗设计123-125
• 4.3.4 输出盒型窗研究125-127
• 4.3.5 整体高频结构性能分析127-128
• 4.4 行波管小信号理论128-133
• 4.4.1 行波管小信号理论推导128
• 4.4.2 小信号理论数值模拟128-133
• 4.5 注-波互作用PIC模拟133-140
• 4.6 频带展宽问题研究140-143
• 4.7 行波管效率提升研究143-154
• 4.7.1 曲线栅齿慢波结构144-148
• 4.7.2 相位重匹配研究148-154
• 4.8 高频结构加工与测试154-162
• 4.8.1 输入耦合器冷测实验154-156
• 4.8.2 输出耦合器冷测实验156-157
• 4.8.3 输入盒型窗冷测实验157-158
• 4.8.4 双窗片输出窗冷测实验158-159
• 4.8.5 慢波结构冷测实验159-162
• 第五章 连续波带状束行波管高频结构研究162-188
• 5.1 高频结构设计162-165
• 5.1.1 色散特性分析162-164
• 5.1.2 传输特性分析164-165
• 5.2 注-波互作用分析165-167
• 5.3 高频结构热分析167-185
• 5.3.1 热力学基本概念167-170
• 5.3.2 衰减陶瓷热分析及冷却方案170-177
• 5.3.3 栅齿电子截获热分析及冷却方案177-184
• 5.3.4 输出窗热分析及冷却方案184-185
• 5.4 高频结构应力分析185-188
• 第六章 总结和展望188-190
• 致谢190-191
• 参考文献191-200
• 攻博期间取得的研究成果200-202

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