【摘要】：毫米波技術(shù)在5G通信、安檢成像、雷達(dá)探測(cè)、電子對(duì)抗以及材料檢測(cè)等軍民領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。毫米波放大器/振蕩器是毫米波技術(shù)的重要組成部分,具有重大的研究?jī)r(jià)值。作為毫米波源的解決方案之一,毫米波真空電子器件近年來(lái)獲得了較為廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外研究人員在毫米波低頻段(30-100GHz)對(duì)真空電子器件展開(kāi)了深入的研究,取得了較大的進(jìn)展,初步具備了一些比較成熟的解決方案。為了進(jìn)一步提高工作在毫米波低頻段真空電子器件的整管性能,需要對(duì)一些新型的真空電子器件展開(kāi)深入研究,比如帶狀注器件。在毫米波高頻段(100-300GHz),毫米波源仍然處于探索階段,大功率小型化毫米波源目前比較匱乏,需要世界各國(guó)科研工作者的努力探索。基于真空電子器件在毫米波低頻段和高頻段的研究現(xiàn)狀,本論文做了以下兩個(gè)方面的工作:(1)在毫米波低頻段,對(duì)Q波段(30-50GHz)帶狀注行波管的高頻系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究,致力于整管性能的提升,以獲取大功率緊湊型的毫米波放大器。(2)在毫米波高頻段,對(duì)0.2THz的帶狀注擴(kuò)展互作用振蕩管進(jìn)行了研究,提出利用贗火花帶狀電子注進(jìn)行驅(qū)動(dòng),致力于為大功率小型化的毫米波太赫茲振蕩源提供可能的解決方案。和傳統(tǒng)圓形注行波管相比,帶狀注行波管具有大功率輸出的特點(diǎn);和回旋行波管相比,帶狀注行波管具有小型化的優(yōu)點(diǎn)。因此,帶狀注行波管是一個(gè)具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ暮撩撞ǚ糯笃鳌Ｈ欢鴰钭⑿胁ü艿难兄颇壳吧形闯墒?存在諸多的研制挑戰(zhàn)和困難。對(duì)于帶狀注行波管的研究,本論文主要集中在高頻系統(tǒng)方面,由本論文的第2-4章構(gòu)成。第2章對(duì)帶狀注行波管的輸入輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,為帶狀注行波管提出了四種新型的輸入輸出耦合器:(1)L形分支波導(dǎo)耦合器及其變形結(jié)構(gòu);(2)Y形分支波導(dǎo)耦合器及其變形結(jié)構(gòu);(3)多分支波導(dǎo)耦合器;(4)單分支波導(dǎo)耦合器。以上結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)以下兩種創(chuàng)新思路獲得的:(a)將其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的耦合器引入到帶狀注行波管中;(b)在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入反射腔、對(duì)稱諧振腔以及介質(zhì)吸波材料等方式進(jìn)行性能的改進(jìn)。利用理論分析、模擬仿真和毫米波冷測(cè)等手段對(duì)以上幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。和發(fā)表文獻(xiàn)中的耦合器相比,以上幾種耦合器不僅在電性能上得到了較大提升,比如超寬頻帶,而且在結(jié)構(gòu)性能方面也得到了很大提高,比如大的電子注通道以及緊湊的結(jié)構(gòu)。所提出的幾種輸入輸出耦合器均能很好地用于帶狀注行波管的注波分離/匯合。第3章對(duì)帶狀注行波管慢波結(jié)構(gòu)的帶寬提升、效率提高以及穩(wěn)定性進(jìn)行了專題研究。對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的工作特性進(jìn)行了深入的理論分析。提出采用雙模工作的思路來(lái)提升工作帶寬。PIC模擬結(jié)果表明:雙模工作將工作帶寬由9GHz擴(kuò)展至15GHz。對(duì)高頻系統(tǒng)進(jìn)行了冷測(cè)實(shí)驗(yàn),模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上吻合。對(duì)整管進(jìn)行了熱測(cè)實(shí)驗(yàn),在兩個(gè)模式對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)上均測(cè)到了輸出功率,證實(shí)了雙模工作的可行性。在傳統(tǒng)交錯(cuò)柵慢波結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了電子注通道曲線輪廓的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。PIC模擬結(jié)果表明:輸出功率、增益和效率分別提高了1kW、3dB和2%。另外,還對(duì)提升效率和增益的其它方法進(jìn)行了研究,包括窄帶高效和相位重匹配等方法。研究表明:這幾種方法均能夠很好地提高整管的效率和增益。對(duì)注波互作用的反射振蕩和返波振蕩進(jìn)行了研究,并提出了相應(yīng)的振蕩抑制方案。提出了一種新型的介質(zhì)衰減器,該衰減器能夠有效抑制振蕩的同時(shí)也大大降低了工程實(shí)現(xiàn)難度。低損介質(zhì)材料,比如氧化鈹、Al2O3陶瓷和藍(lán)寶石,被廣泛應(yīng)用于帶狀注行波管的高頻系統(tǒng)中。介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)的精確測(cè)量對(duì)于帶狀注行波管高頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。在介質(zhì)材料的測(cè)試中,低損介質(zhì)材料的測(cè)試難度非常大,具有重大的研究?jī)r(jià)值。本論文研制了一套低損材料準(zhǔn)光腔復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。傳統(tǒng)準(zhǔn)光腔復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng),通常利用雙孔耦合測(cè)傳輸?shù)姆椒ǐ@取S21曲線。本論文提出利用單孔耦合測(cè)反射的方法獲取S11曲線,從而簡(jiǎn)化了準(zhǔn)光腔的耦合結(jié)構(gòu),利于加工和裝配。為了驗(yàn)證該方案的可行性,對(duì)準(zhǔn)光腔進(jìn)行了深入的理論分析以及模擬仿真,設(shè)計(jì)了一個(gè)W波段的準(zhǔn)光腔�；谘兄频臏�(zhǔn)光腔,搭建了一套復(fù)介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)藍(lán)寶石窗片材料進(jìn)行了測(cè)試。本文測(cè)試結(jié)果和發(fā)表文獻(xiàn)測(cè)試結(jié)果相吻合。對(duì)于0.2THz帶狀注擴(kuò)展互作用振蕩管的研究,主要是提出了一種新的創(chuàng)新思路,并對(duì)該思路進(jìn)行了初步的探索研究。當(dāng)工作頻率提升至毫米波高頻段乃至太赫茲波段時(shí),電子注電流小、銅損大、加工裝配難度大、電子注聚焦難度大等一系列問(wèn)題將會(huì)變得更加嚴(yán)重。為了減小這些問(wèn)題所帶來(lái)的不利影響,本學(xué)位論文提出結(jié)合等離子體陰極電子槍(超高電流密度、離子通道聚焦)、帶狀電子注(大的電子注面積)以及擴(kuò)展互作用振蕩管(單位長(zhǎng)度增益很大、注波互作用長(zhǎng)度短、結(jié)構(gòu)緊湊)的各自優(yōu)勢(shì),形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),以期獲得一個(gè)大功率小型化的毫米波太赫茲脈沖源。為了驗(yàn)證這個(gè)構(gòu)思,本學(xué)位論文做了以下幾個(gè)工作:(1)對(duì)等離子體陰極電子槍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并對(duì)贗火花帶狀電子注的特性進(jìn)行了初步研究;(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)高頻系統(tǒng),并進(jìn)行了加工和冷測(cè),測(cè)試結(jié)果在趨勢(shì)上和模擬結(jié)果基本吻合;(3)對(duì)整管進(jìn)行了裝配以及初步的熱測(cè)實(shí)驗(yàn),在熱測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)探測(cè)到了毫米波信號(hào)。
【圖文】：

如圖 1-1 所示，對(duì)于毫米波頻段的定義，目前比較流行的說(shuō)法是 30-300GHz微波頻段和太赫茲頻段分別為：0.3-30GHz 和 0.3-10THz。也有許多人將 0.1-10TH稱為太赫茲頻段[1]。和微波相比，毫米波具有更短的波長(zhǎng)、更高的工作頻率等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)工作頻率提升至太赫茲頻段，太赫茲波還具有光子能量低以及獨(dú)特的波譜特性等特點(diǎn)。短波長(zhǎng)可以有效減小器件和系統(tǒng)的尺寸，利于小型化。另外，短波長(zhǎng)更容易實(shí)現(xiàn)窄波束和高增益的天線，利于提高雷達(dá)等系統(tǒng)的分辨率。工作頻率越高，頻譜資源越豐富，從而可以滿足超高速通信的頻譜需求。另外，工作頻率越高，所能達(dá)到的工作頻帶也將越大，從而有利于提高通信的數(shù)據(jù)傳輸速率、雷達(dá)的抗干擾能力以及電子對(duì)抗系統(tǒng)的干擾能力。穿透能力越強(qiáng)，越有利于毫米波太赫茲波技術(shù)在材料檢測(cè)、病變?cè)\斷和環(huán)境探測(cè)等方面的應(yīng)用[1]。

無(wú)人駕駛是現(xiàn)階段的一個(gè)研究熱點(diǎn)，，作為未來(lái)智能駕駛的核心技術(shù)之一，毫米波汽車防撞雷達(dá)目前被廣泛研究，77GHz 波段在毫米波汽車防撞雷達(dá)中得到了廣泛關(guān)注。毫米波由于具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隱蔽物體的有效檢測(cè)；毫米波的光子能量較低，對(duì)人體具有安全性。因此，毫米波可以用于非接觸、非破壞的探測(cè)，有望成為一種新的安檢手段[1-4]。毫米波技術(shù)的部分應(yīng)用如圖 1-2 所示[4]。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN124

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2575191