發(fā)布時間：2020-10-29 08:21

　　 毫米波為30GHz到300GHz范圍內(nèi)的電磁波,真空電子器件在毫米波段對民用和國防軍事領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值,尤其是高工作頻率、高效率、高功率、高可靠性、低電壓、小型化的毫米波真空電子器件,已成為近年來這類器件的研究熱點。擴展互作用器件結(jié)合了速調(diào)管和行波管技術(shù)的特點,具有體積小、重量輕、工作電壓低、帶寬寬、功率高等優(yōu)點,是一種緊湊型真空電子器件,在毫米波段具有很大的發(fā)展?jié)摿?已成為當(dāng)前高頻率毫米波源的研究重點。但當(dāng)擴展互作用器件在毫米波段頻率升高時,尺寸共渡效應(yīng)使器件尺寸減小(到亞毫米量級),帶來一系列技術(shù)難題,如:傳統(tǒng)圓形電子注通道非常小(遠(yuǎn)小于毫米波波長),允許通過的電流降低;互作用間隙尺寸減小,易引起射頻擊穿;電路高頻損耗大。這些難題導(dǎo)致器件電子效率和功率降低,甚至無功率輸出。為了解決毫米波段頻率升高帶來的器件效率降低問題,本論文提出采用高階模工作機制使單注器件在同等頻率下具有比基模機制更大的尺寸,使器件在頻率升高后仍有一定的功率輸出;提出功率合成的思路提升器件功率并驗證了其可行性;對基模和高階模毫米波器件開展了提升效率的注-波互作用機理研究。論文主要工作及創(chuàng)新點如下:1.本文首先對基模工作毫米波擴展互作用振蕩器開展了基礎(chǔ)理論、仿真模擬與實驗研究,提出可避免模式競爭的模式分布優(yōu)化技術(shù)并研究了基模工作機理。對基模器件開展了冷測和熱測實驗研究,冷測采用探針激勵和波導(dǎo)饋入兩種方法得到基模2π模頻率均為35.8GHz;熱測實驗結(jié)果表明器件可在2π模穩(wěn)定工作,且測試頻率與冷測一致,驗證了設(shè)計的正確性,為后續(xù)效率和功率的提升奠定了基礎(chǔ)。2.針對頻率提升帶來器件功率降低問題,提出采用功率合成的方法將多個小尺寸器件角向級聯(lián)形成擴展互作用功率合成電路;提出了一種有利于功率合成的輸出電路。這種合成方法具有以下三個特點:(1)級聯(lián)后多個單腔電路分布在同一個圓周上,形成分布式空心電子注,可共用同一個磁聚焦系統(tǒng);(2)引入多電子注,提高了電子槍的總導(dǎo)流系數(shù);(3)可增大橫向圓周直徑,在角向級聯(lián)更多帶狀注單腔形成更大規(guī)模功率合成,進(jìn)一步提升功率。分布式空心注與合成電路均勻分布的場發(fā)生互作用,使器件在注電壓27kV、電流4.2A條件下產(chǎn)生功率10kW,對應(yīng)頻率103GHz,這種電路的提出為毫米波擴展互作用器件功率的提升提供了一種有效的方法。3.針對頻率提升后器件由于功率容量減小、高頻損耗增大等導(dǎo)致無法正常工作的問題,提出適用于此類器件的高階模工作機制,旨在使器件在頻率升高后仍有一定的功率輸出。基于對基模工作機理的分析開展了基模與高階模模式場橫向分布轉(zhuǎn)化研究,并據(jù)此設(shè)計了Ka波段TM_(31)模擴展互作用振蕩器。研究表明TM_(31)模機制在與基模工作同等頻率下可支撐橫向尺寸兩倍于工作波長的擴展互作用電路,增大功率容量。粒子模擬結(jié)果表明TM_(31)模振蕩器可在注電壓61kV、電流3A條件下產(chǎn)生26.3kW功率,效率14.4%。當(dāng)頻率進(jìn)一步升高到W波段時,利用橫向駐波半波長場分布特點提出一種使擴展互作用電路在TM_(31)模機制穩(wěn)定工作的設(shè)計方法,使其工作避免模式競爭,設(shè)計的W波段器件在注電壓20.5kV、電流8A的條件下實現(xiàn)了10kW以上的功率輸出,效率6.5%。4.當(dāng)頻率進(jìn)一步升高到毫米波段上限300GHz時,圓形電子注由于器件尺寸進(jìn)一步減小不足以支撐功率提升要求的電流大小,因此提出高階模機制與帶狀注技術(shù)相結(jié)合提升器件在高頻率要求下的效率和功率。設(shè)計了300GHz高階模帶狀注擴展互作用電路,提出一種與帶狀注器件臨界截止工作條件相匹配的高階模設(shè)計方法,通過分析電路的三維電磁特性驗證了設(shè)計方法的有效性。在具有同等水平的加工技術(shù)和同等材料的條件下,這種高階模帶狀注電路與同頻率基模帶狀注電路相比,其表面電流分布在一定儲能條件下使其高頻損耗減小,有利于器件效率的提升。5.基于空間電荷波理論開展了提升效率的注-波互作用機理研究,主要研究了電子注電流密度和填充比與電子相干性和去群聚效應(yīng)之間的平衡關(guān)系。對第1、2點中設(shè)計的Ka波段基模和高階模振蕩器開展了粒子模擬研究,模擬結(jié)果顯示當(dāng)基模振蕩器的注直徑從λ/8減小到λ/40時(λ為工作波長),效率提升了10.5%,繼續(xù)減小到λ/80,效率開始降低。高階模振蕩器注填充比從100%減小到0.36%時,效率提升了6.8%,繼續(xù)減小時,效率降低。由此結(jié)果得到以下結(jié)論:在注電流一定的條件下,減小注填充比(即電流密度增大)使電子相干性增強且去群聚效應(yīng)較弱時器件效率提升;繼續(xù)減小注填充比,去群聚效應(yīng)增強,相干性變差,效率降低。此外,分析了注-波互作用后電子的群聚特性,采用相速再同步技術(shù)改善了交出能量后電子的群聚質(zhì)量,根據(jù)注-波互作用后電子能量分布和多腔速調(diào)管理念設(shè)計了非均勻周期結(jié)構(gòu),使基模器件的效率額外提升了2%。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN103;O441
【部分圖文】：

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文2周期電路等。本課題提出的關(guān)鍵技術(shù)及研究成果將為發(fā)展緊湊型毫米波高效率擴展互作用器件提供有效方法，具有重要的研究意義。圖1-1真空電子器件應(yīng)用背景圖。(a)雷達(dá)；(b)衛(wèi)星通信；(c)人體安檢；(d)家用微波爐食物加熱1.2毫米波的特點如圖1-2所示[3]，毫米波是介于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，兼有兩種波的特點[1-5]。其波長比微波波長短，波長短有利于小型化器件和系統(tǒng)的設(shè)計，可設(shè)計高增益、窄波束天線，有利于提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率。圖1-2電磁波譜[3]

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文2周期電路等。本課題提出的關(guān)鍵技術(shù)及研究成果將為發(fā)展緊湊型毫米波高效率擴展互作用器件提供有效方法，具有重要的研究意義。圖1-1真空電子器件應(yīng)用背景圖。(a)雷達(dá)；(b)衛(wèi)星通信；(c)人體安檢；(d)家用微波爐食物加熱1.2毫米波的特點如圖1-2所示[3]，毫米波是介于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，兼有兩種波的特點[1-5]。其波長比微波波長短，波長短有利于小型化器件和系統(tǒng)的設(shè)計，可設(shè)計高增益、窄波束天線，有利于提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率。圖1-2電磁波譜[3]

第一章緒論3此外，毫米波頻帶約270GHz，極寬的帶寬覆蓋了四個大氣吸收較小的窗口頻率，包括35GHz、94GHz、140GHz和220GHz。在這四個頻率段，毫米波在大氣中衰減較小，使得毫米波可應(yīng)用于氣候惡劣的環(huán)境，如充滿煙塵的戰(zhàn)爭環(huán)境、多云霧天氣、夜間環(huán)境具有較強的穿透能力；而且大氣的吸收使毫米波的隱蔽性得到保障。圖1-3毫米波技術(shù)的部分應(yīng)用[3]毫米波的寬頻帶特性使毫米波在應(yīng)用中的空間、時間分辨率較高，使其在單位時間內(nèi)可傳輸更多的信息，這符合毫米波通信系統(tǒng)在寬頻帶范圍內(nèi)承載更大通信容量的需求。世界無線電通信大會在全球范圍內(nèi)將24.25GHz-27.5GHz、37GHz-43.5GHz、66GHz-71GHz頻段共14.75GHz帶寬的頻譜標(biāo)識用于5G和未來國際移動通信系統(tǒng)。毫米波雷達(dá)是工作在毫米波段的探測雷達(dá)，由于毫米波短波長的特點使其毫米波導(dǎo)引頭體積較孝電壓低和全固態(tài)等特點，可滿足彈載環(huán)境要求，應(yīng)用需求大。此外，毫米波技術(shù)由于汽車無人駕駛、安檢系統(tǒng)等的發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用，其中毫米波汽車防撞雷達(dá)已成為當(dāng)前研究熱點。毫米波在通信領(lǐng)域的應(yīng)用使其向高頻率發(fā)展，這是由于高頻率工作易實現(xiàn)寬帶寬，可增強雷達(dá)的抗干擾能力并提高數(shù)據(jù)傳輸速率。毫米波技術(shù)的一些典型應(yīng)用如圖1-3所示[3]，包括軍事雷達(dá)、衛(wèi)星通信、汽車防撞雷達(dá)、5G通信和彈載雷達(dá)。1.3毫米波真空電子器件的發(fā)展與應(yīng)用毫米波的寬頻帶特性使對應(yīng)不同頻段的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)撩撞ㄔ刺岢隽瞬煌囊�。在低頻段（Ka到W波段），毫米波雷達(dá)系統(tǒng)對毫米波源提出高效率的需求，在高頻段毫
【參考文獻(xiàn)】

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1 邢俊毅;馮進(jìn)軍;;毫米波擴展互作用器件[J];真空電子技術(shù);2010年02期

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2 肖川紅;Ka波段和W波段擴展互作用振蕩器研究[D];電子科技大學(xué);2019年

3 路廣飛;W波段擴展互作用振蕩器的設(shè)計與優(yōu)化[D];北方工業(yè)大學(xué);2018年

4 田啟知;帶狀注擴展互作用振蕩器的研究與設(shè)計[D];電子科技大學(xué);2018年

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7 王璟;基于梯形結(jié)構(gòu)的THz頻段擴展互作用速調(diào)管研究[D];電子科技大學(xué);2016年

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9 莊乾萌;基于頻率選擇表面的高功率太赫茲帶阻濾波器研究[D];電子科技大學(xué);2016年

10 馮慧君;220GHz擴展互作用速調(diào)管的理論和模擬研究[D];電子科技大學(xué);2016年

本文編號：2860634