【摘要】：毫米波頻段回旋器件的輸出功率和增益與常規(guī)線性注真空電子器件相比具有明顯的優(yōu)勢,其中回旋行波管由于兼具高功率和寬頻帶特性,在高分辨雷達、電子對抗、高速通信系統(tǒng)和醫(yī)學成像系統(tǒng)等軍用和民用領域具有廣闊的應用前景和巨大需求。從上世紀末分布式高頻電路被提出并獲得巨大成功以來,國內外很多單位基于該結構進行微波毫米波段回旋行波管研制,目前Ka等頻段回旋行波管已開始走出實驗室并踏上了實用化道路,然而W及以上頻段(短毫米波段)回旋行波管相對于低頻段回旋行波管的發(fā)展相對滯后,究其原因主要有:受尺寸共度效應限制,管子在進入短毫米波段后高頻電路尺寸過小,平均功率容量受限、電子注截獲問題加劇;高頻率工作時,諸如表面粗糙度大、微小的加工和裝配公差等因素都可能導致管子性能急劇下降。以上因素限制了短毫米波段回旋行波管性能的發(fā)揮。此時,采用更高階模式工作是一種有效的解決方案。高階模工作可以有效增大高頻電路尺寸,從而提升平均功率容量、增大電子注通道并降低加工和裝配要求。然而,當回旋行波管工作在高階模式時,電子注色散曲線必然與低階模式相交于負傳播常數(shù)區(qū)域,來自低階模式的返波振蕩將會成為回旋行波管的主要不穩(wěn)定因素之一。為了緩解高階模式工作引起的模式競爭和寄生振蕩問題,美國麻省理工學院(MIT)先后提出了共焦波導和光子晶體帶隙兩種新型的高頻電路,由于輻射損耗特性,這兩種結構具有天然的模式選擇特性,能有效降低高頻電路中的模式密度,這緩解了高階模式穩(wěn)定工作的難度。其中光子晶體帶隙結構受工藝難度、高頻電路散熱等限制,目前尚缺乏基礎。本論文集中開展了共焦波導回旋行波管理論研究和設計工作,為下一步實現(xiàn)高功率高頻率共焦波導回旋行波管的工程化和產品化奠定基礎。對于工作在W波段的回旋行波管,HE_(04)模式共焦波導高頻電路的功率容量約為TE_(01)模式圓波導高頻電路的四倍,對應的電子注通道尺寸約為兩倍關系。盡管共焦波導具有模式選擇特性,能衰減掉m0的HE_(mn)模式,但是HE_(0n)模式仍是可能出現(xiàn)的振蕩模式,設計中須重點考慮。從MIT在2003年首次報道了共焦波導回旋行波管的樣管測試結果開始,經過國內外各單位近15年的研究,這種新型高頻電路的功率、增益等輸出指標卻遠未達到常規(guī)封閉波導高頻電路的輸出性能,完全沒有發(fā)揮出回旋行波管的寬帶、高功率、高增益等優(yōu)勢�？梢�,該結構在工程應用上仍存在諸多不穩(wěn)定性因素(包括返波模式振蕩和工作模式自激振蕩)以及限制該結構輸出功率和帶寬等性能發(fā)揮的因素(如輸入耦合器效率和帶寬性能)。本文集中研究了共焦波導高頻電路,開發(fā)了一套功能完善的共焦波導回旋行波管設計軟件;同時,充分挖掘和分析了各單位前期的樣管試驗結果,針對性地解決了其中的一些限制管子性能發(fā)揮和影響其穩(wěn)定性的關鍵問題。具體內容如下:1.開發(fā)了一種高效高精度的通用共焦波導衍射損耗計算方法,尤其適用于大損耗情況下的衍射損耗計算,解決了現(xiàn)存方法在研究不同鏡寬共焦波導損耗特性時適應范圍窄的問題。2.研制了一種寬頻帶高效率共焦波導輸入耦合器,其測試性能遠高于文獻報道的最高水平,解決了MIT在研制過程中遇到的輸入系統(tǒng)插損過大導致管子無法驅動到飽和狀態(tài),以及帶寬受限無法發(fā)揮高頻電路寬帶特性的難題。另外還研制了兩種用于高頻電路測試的新型寬帶共焦波導模式激勵器,其中磁耦合結構測試結果與仿真吻合良好,且其帶寬、轉化效率、帶內平坦度等指標均遠遠高于文獻報導的最高水平。3.發(fā)現(xiàn)了共焦波導中特有的衍射反饋機制,該機制會引起共焦波導高頻電路總損耗降低,導致穩(wěn)定性降低,這極有可能是MIT等單位前期研制中遇到的管子穩(wěn)定性不佳的重要原因。設計了仿真模型對該機制進行了解釋和驗證,最后利用所研制的磁耦合模式變換器設計實驗進行了驗證。4.詳細推導了共焦波導高頻電路中的結構因子、規(guī)范因子和注-波耦合系數(shù),導出了共焦波導回旋行波管的動力學理論與非線性理論,兩種理論的數(shù)值計算結果吻合良好。5.基于上述理論開發(fā)了功能完善的共焦波導回旋行波管設計軟件。主要功能包括:色散特性分析、通用衍射損耗計算,分布式高頻電路在任意磁場分布下的放大特性分析,以及均勻高頻電路主要振蕩模式的起振閾值分析等。最后給出了W頻段非均勻分布損耗共焦波導回旋行波管的理論設計實例和PIC模擬驗證結果。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN124
【圖文】：

圖 1-1 不同回旋器件高頻電路以及對應的常規(guī)線性注器件一覽表[16]由于高分辨率毫米波雷達和電子對抗系統(tǒng)等領域的特殊需求，回旋放大要包括回旋速調管、回旋行波管和回旋行波速調管）得到了快速發(fā)展。速調管采用多腔體結構，具有較好的穩(wěn)定性和較高的功率容量，同時擁

圖 1-2 回旋行波管發(fā)展歷程第二個階段從二十世紀八十年代末開始，臺灣清華大學（National Tsing HuaUniversity, NTHU）掀起了又一輪回旋行波管研制的高潮，并取得了里程碑式的成果。這一時期研究人員對寄生振蕩的三大誘因（工作模式在近截止處的絕對不穩(wěn)

(b) 1-3 兩種具有一定模式選擇特性的高頻電路。(a)開縫波導結構[45]；(b)開槽波導結構除了以上介紹的圓波導高頻電路，螺旋波紋波導（Helically corrueguide, HCW）也是一種重要的回旋行波管高頻電路類型。英國思克萊德niversity of Strathclyde）和俄羅斯應用物理研究所（IAP）合作開展了一系旋波紋波導高頻電路和大回旋電子槍的回旋行波管研制工作。螺旋波紋改變了光滑波導在近截止頻率處的色散特性，從本質上減小了絕對不穩(wěn)的可能，保證了放大器的穩(wěn)定性。此外，由于結構中電磁波的相速在很范圍內保持不變，使得放大器能夠實現(xiàn)寬頻帶工作。1998 年，G. G. D研制的X波段螺旋波紋波導回旋行波管，在 200 kV的電壓驅動下得到了 1.1 MW，增益 23 dB和效率 20%的結果[63]。2002 年研發(fā)出工作在Ka波段值功率 180 kW，增益 25 dB的螺旋波紋波導回旋行波管[64]。2007 年，英德大學報道了X波段螺旋波紋波導回旋行波管在速度比為 1.2，電壓 18流6.0A條件下得到了輸出功率220 kW，增益24 dB，效率20%，飽和帶寬

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 鄧學;唐勇;羅勇;王麗;王沙飛;;W波段回旋行波管仿真設計與熱測實驗[J];紅外與毫米波學報;2015年05期

2 孫昊;王峨鋒;李安;馮進軍;閆鐵昌;;W波段回旋行波管高頻結構設計和仿真[J];微波學報;2015年04期

3 傅文杰;鄢揚;;共焦柱面準光諧振腔回旋管研究[J];電子科技大學學報;2015年04期

4 蔡金赤;蔣藝;胡鵬;馬國武;陳洪斌;金曉;陳懷壁;;140GHz回旋行波管放大器準光學注入結構的設計(英文)[J];紅外與毫米波學報;2014年04期

5 劉濮鯤;杜朝海;;毫米波回旋行波放大器的發(fā)展評述[J];微波學報;2013年Z1期

相關博士學位論文 前5條

1 關曉通;太赫茲準光電子回旋脈塞研究[D];電子科技大學;2018年

2 楊有維;太赫茲回旋行波管的研究[D];電子科技大學;2017年

3 張顏顏;光子晶體回旋管相關問題的研究[D];電子科技大學;2016年

4 胡鵬;0.14THz共焦波導回旋行波管研究[D];中國工程物理研究院;2013年

5 鄢然;磁控注入電子槍低頻振蕩分析及Ka波段回旋行波管研究[D];電子科技大學;2010年

相關碩士學位論文 前1條

1 孫威;0.34THz共焦波導回旋行波管注波互作用的研究[D];電子科技大學;2018年

本文編號：2802956