带状电子注太赫兹行波管的理论与实验研究
发布时间：2022-01-21 11:13
在THz（太赫兹）真空电子辐射源中,行波管因具有高功率容量、宽工作带宽等优势,近年来成为辐射源的优先选择。在众多行波管中,交错双栅行波管因其具有的天然带状电子注通道和简单的二维全金属结构等优势在业内受到广泛关注。交错双栅行波管工作在THz频段时,由于尺寸共渡效应、加工工艺以及导体损耗等因素的影响,会出现功率大幅降低、结构形变等问题,且加工实现困难。本文以太赫兹交错双栅行波管为研究对象,重点研究了加工方式及精度对交错双栅慢波结构的性能影响、慢波结构中的高导体损耗、太赫兹波段输出窗的快速算法设计以及行波管输出功率提升等关键问题,主要研究内容分为五部分,主要工作和创新点如下。1、为了降低实际加工方式及精度对交错双栅行波管的性能影响,提出了340GHz倒圆角交错双栅慢波结构,并对慢波传输和注波互作用特性进行研究。在模拟研究基础上,对倒圆角交错双栅慢波结构进行加工与冷测实验,冷测实验结果表明,高频结构的电压驻波比在335GHz到344GHz范围内均小于2,与模拟结果趋势基本一致。此外,针对适用于340GHz倒圆角交错双栅行波管的电子光学系统和金刚石盒型窗开展了理论研究,并对盒型窗进行实验工作,实...
【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】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
行波管结构模型框架图[16]
电子科技大学博士学位论文2一般选择圆形电子注进行能量交换，而余下几种类型则通常采用带状电子注进行能量交换。需要注意到，折叠波导型行波管由于其结构存在多种不同变形结构，可采用圆形电子注或者带状电子注进行能量交换[23-25]。当器件的工作频率升至THz频段时，急剧减小的结构尺寸导致所能提供的电子注尺寸减小，这也意味着结构的输出功率将大幅降低。为了改善结构的功率水平，可以选择带状电子注代替圆形电子注，以在相同的电子注通道结构尺寸情况下获得相对更大的电流，从而提高结构的输出功率[26-28]。1.2交错双栅型行波管在适合带状电子注工作的结构中，交错双栅结构和正弦波导型结构均为二维全金属平面结构，且均具有天然的适合带状电子注工作的电子注通道，在带状电子注器件的应用上具有较大的优势。由文献[21]中所提出的关于正弦波导型慢波结构的概念可知，正弦波导型结构由交错双栅结构变形而得。因此本论文主要基于交错双栅结构对该类型的行波管开展一系列的研究工作。1.2.1交错双栅慢波结构交错双栅慢波结构由于其所具备的低欧姆损耗、高功率容量以及宽工作带宽等优势，近些年来受到了较多的关注。1.2.1.1常规交错双栅结构的研究进展图1-2半周期交错型金属栅结构基模的纵向电场矢量与标量图[29]Young-MinShin和LarryR.Barnet等人在2008年首次提出半周期交错型双栅慢波结构工作在基模时具有对称性较好的TE模式，且在中间位置处的电子注通道内电场纵向分量较为明显，可以有效地放大电磁信号，如图1-2所示[29]。最终通过PIC计算，在0.20-0.28THz频率范围内输出功率均大于100W，对应效率超过
电子科技大学博士学位论文41.2.1.2交错双栅变形结构的研究进展为了提高交错栅结构的功率水平，国内外学者基于交错栅的结构改进与变形等方面开展了一系列研究工作。2012年，赖剑强等人针对无需大功率的场合提出了一种可采用圆形电子注进行注波互作用的交错双栅变形结构，如图1-4所示[38]，注波互作用结果显示该变形结构可在88GHz到103GHz范围内实现输出功率的峰值高于200W。此外，针对该变形结构相对较低效率的问题，将一种理论方法（虚边界元法）应用到降压收集极的模拟计算中，实现了精度高、计算速度快的收集极模拟设计工作[39]。图1-4采用圆形注的交错双栅变形结构[38]图1-5T形交错栅结构的三维模型[40]2014年，王彦帅等人提出了一种T形改进型交错栅结构以期增强结构的轴向电场强度，如图1-5所示[40]，模拟计算得到的140GHz频段结构色散特性呈现出较好的提升。2019年，杨光等人在此基础上针对220GHz的T形交错栅结构进行了模拟计算，传输特性计算结果表明该结构在213GHz到230GHz范围内S11小于-20dB[41]。2018年，文献[42]中报道了一种类似的阶梯型交错栅结构，如图1-6所示[42]，
【参考文献】：
期刊论文
[1]W波段阶梯型交错双栅慢波结构行波管的研究[J]. 王海龙,石先宝,王战亮,宫玉彬. 红外与毫米波学报. 2018(06)
[2]磁控溅射金刚石微粉表面镀镍及其在电镀金刚石线锯上的应用[J]. 张一翔,沈志刚. 中国粉体技术. 2017(03)
[3]太赫兹行波管倍频器用金刚石输能窗研究[J]. 杜英华,丁明清,胡银富,李莉莉,董芮彤,冯进军. 真空电子技术. 2013(03)
[4]W波段带状注速调管电子光学及注波互作用系统[J]. 阮存军,王树忠,韩莹,张小锋,陈姝媛. 红外与毫米波学报. 2012(06)
[5]A staggered double vane circuit for a W-band traveling-wave tube amplifier[J]. 赖剑强,魏彦玉,刘洋,黄民智,唐涛,王文祥,宫玉彬. Chinese Physics B. 2012(06)
[6]CVD金刚石薄膜金属化及其与金属的焊接研究[J]. 李新宇,高陇桥,刘征,郭辉. 真空电子技术. 2010(04)
[7]太赫兹波谱与成像[J]. 张存林,牧凯军. 激光与光电子学进展. 2010(02)
[8]太赫兹科学技术及其应用的新发展[J]. 刘盛纲,钟任斌. 电子科技大学学报. 2009(05)
[9]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[10]微颗粒表面磁控溅射镀金属膜[J]. 俞晓正,徐政,沈志刚. 过程工程学报. 2006(S2)
博士论文
[1]新型正弦波导太赫兹慢波结构和器件的研究[D]. 张鲁奇.电子科技大学 2017
[2]交错双栅慢波结构的应用研究[D]. 赖剑强.电子科技大学 2012
[3]正弦波导及其应用的研究[D]. 许雄.电子科技大学 2012
[4]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]微波输能窗理论与设计[D]. 张刚.电子科技大学 2015
[2]毫米波全固态集成接收前端的研制[D]. 杨辉.电子科技大学 2008
[3]波导不连续性的模式匹配法分析[D]. 赵伟.西安电子科技大学 2008
本文编号：3600154
【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】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
行波管结构模型框架图[16]
电子科技大学博士学位论文2一般选择圆形电子注进行能量交换，而余下几种类型则通常采用带状电子注进行能量交换。需要注意到，折叠波导型行波管由于其结构存在多种不同变形结构，可采用圆形电子注或者带状电子注进行能量交换[23-25]。当器件的工作频率升至THz频段时，急剧减小的结构尺寸导致所能提供的电子注尺寸减小，这也意味着结构的输出功率将大幅降低。为了改善结构的功率水平，可以选择带状电子注代替圆形电子注，以在相同的电子注通道结构尺寸情况下获得相对更大的电流，从而提高结构的输出功率[26-28]。1.2交错双栅型行波管在适合带状电子注工作的结构中，交错双栅结构和正弦波导型结构均为二维全金属平面结构，且均具有天然的适合带状电子注工作的电子注通道，在带状电子注器件的应用上具有较大的优势。由文献[21]中所提出的关于正弦波导型慢波结构的概念可知，正弦波导型结构由交错双栅结构变形而得。因此本论文主要基于交错双栅结构对该类型的行波管开展一系列的研究工作。1.2.1交错双栅慢波结构交错双栅慢波结构由于其所具备的低欧姆损耗、高功率容量以及宽工作带宽等优势，近些年来受到了较多的关注。1.2.1.1常规交错双栅结构的研究进展图1-2半周期交错型金属栅结构基模的纵向电场矢量与标量图[29]Young-MinShin和LarryR.Barnet等人在2008年首次提出半周期交错型双栅慢波结构工作在基模时具有对称性较好的TE模式，且在中间位置处的电子注通道内电场纵向分量较为明显，可以有效地放大电磁信号，如图1-2所示[29]。最终通过PIC计算，在0.20-0.28THz频率范围内输出功率均大于100W，对应效率超过
电子科技大学博士学位论文41.2.1.2交错双栅变形结构的研究进展为了提高交错栅结构的功率水平，国内外学者基于交错栅的结构改进与变形等方面开展了一系列研究工作。2012年，赖剑强等人针对无需大功率的场合提出了一种可采用圆形电子注进行注波互作用的交错双栅变形结构，如图1-4所示[38]，注波互作用结果显示该变形结构可在88GHz到103GHz范围内实现输出功率的峰值高于200W。此外，针对该变形结构相对较低效率的问题，将一种理论方法（虚边界元法）应用到降压收集极的模拟计算中，实现了精度高、计算速度快的收集极模拟设计工作[39]。图1-4采用圆形注的交错双栅变形结构[38]图1-5T形交错栅结构的三维模型[40]2014年，王彦帅等人提出了一种T形改进型交错栅结构以期增强结构的轴向电场强度，如图1-5所示[40]，模拟计算得到的140GHz频段结构色散特性呈现出较好的提升。2019年，杨光等人在此基础上针对220GHz的T形交错栅结构进行了模拟计算，传输特性计算结果表明该结构在213GHz到230GHz范围内S11小于-20dB[41]。2018年，文献[42]中报道了一种类似的阶梯型交错栅结构，如图1-6所示[42]，
【参考文献】：
期刊论文
[1]W波段阶梯型交错双栅慢波结构行波管的研究[J]. 王海龙,石先宝,王战亮,宫玉彬. 红外与毫米波学报. 2018(06)
[2]磁控溅射金刚石微粉表面镀镍及其在电镀金刚石线锯上的应用[J]. 张一翔,沈志刚. 中国粉体技术. 2017(03)
[3]太赫兹行波管倍频器用金刚石输能窗研究[J]. 杜英华,丁明清,胡银富,李莉莉,董芮彤,冯进军. 真空电子技术. 2013(03)
[4]W波段带状注速调管电子光学及注波互作用系统[J]. 阮存军,王树忠,韩莹,张小锋,陈姝媛. 红外与毫米波学报. 2012(06)
[5]A staggered double vane circuit for a W-band traveling-wave tube amplifier[J]. 赖剑强,魏彦玉,刘洋,黄民智,唐涛,王文祥,宫玉彬. Chinese Physics B. 2012(06)
[6]CVD金刚石薄膜金属化及其与金属的焊接研究[J]. 李新宇,高陇桥,刘征,郭辉. 真空电子技术. 2010(04)
[7]太赫兹波谱与成像[J]. 张存林,牧凯军. 激光与光电子学进展. 2010(02)
[8]太赫兹科学技术及其应用的新发展[J]. 刘盛纲,钟任斌. 电子科技大学学报. 2009(05)
[9]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[10]微颗粒表面磁控溅射镀金属膜[J]. 俞晓正,徐政,沈志刚. 过程工程学报. 2006(S2)
博士论文
[1]新型正弦波导太赫兹慢波结构和器件的研究[D]. 张鲁奇.电子科技大学 2017
[2]交错双栅慢波结构的应用研究[D]. 赖剑强.电子科技大学 2012
[3]正弦波导及其应用的研究[D]. 许雄.电子科技大学 2012
[4]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]微波输能窗理论与设计[D]. 张刚.电子科技大学 2015
[2]毫米波全固态集成接收前端的研制[D]. 杨辉.电子科技大学 2008
[3]波导不连续性的模式匹配法分析[D]. 赵伟.西安电子科技大学 2008
本文编号：3600154
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3600154.html
