本文關(guān)鍵詞： 高功率微波 帶狀電子束 相對論返波管 相對論行波管 矩形柵慢波結(jié)構(gòu)　出處：《電子科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：高功率電真空器件是一類很有前景的微波源,在軍用和民用領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用潛力,其中的相對論返波管(RBWO)和相對論行波管(RTWT)是最常見、用途較多的兩類管種。提高高功率微波源的輸出功率和輸出頻率是這類器件的一個(gè)重要發(fā)展方向,而使用帶狀電子束是提高微波功率和頻率的一種值得探索的方法,因此對帶狀電子束RBWO和RTWT的研究是很有價(jià)值的。本文將依次闡述和解決設(shè)計(jì)帶狀電子束器件時(shí)所遇到的難題,最后證明帶狀電子束確實(shí)有利于實(shí)現(xiàn)更高功率、尤其是更高頻率的微波輸出。論文的重要工作和創(chuàng)新點(diǎn)有:1.針對矩形單柵、矩形對稱雙柵和具有任意錯(cuò)位的交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu),進(jìn)行了統(tǒng)一的研究并得到它們的通用色散方程,對該方程進(jìn)行了驗(yàn)證;針對適用于帶狀束RBWO和RTWT的大寬度矩形柵結(jié)構(gòu),給出了新的理論求解思路,得到了三種矩形柵結(jié)構(gòu)的通用色散方程,該方程適用于分析大寬度矩形柵中的低次模式。2.針對矩形對稱雙柵帶狀束RBWO,提出了一種新型諧振反射器,采用上移陰極的方法既解決了矩形對稱雙柵基膜為反對稱模的問題,還有利于提高輸出功率,最后成功研制出一支Ka波段帶狀束RBWO。實(shí)驗(yàn)中獲得頻率為31.1GHz、功率為46.8MW的微波輸出。3.針對矩形單柵帶狀束RTWT,提出了E面彎曲輸入結(jié)構(gòu),解決了電子注通道對微波不截止的難題;提出了新型的波導(dǎo)與慢波結(jié)構(gòu)之間的漸變結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出可行的連接規(guī)則波導(dǎo)和大寬度波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu),有效地抑制了自激振蕩和高次模式的產(chǎn)生;在實(shí)驗(yàn)中提出了調(diào)節(jié)電子束和輸入信號之間同步的方法,最終成功研制出一支Ka波段帶狀束RTWT,在35GHz處獲得了1.21MW的輸出。4.為了進(jìn)一步提高帶狀束RTWT的輸出功率,提出了兩段式帶狀束RTWT的概念;提出了實(shí)際可行的衰減器實(shí)現(xiàn)方案,并結(jié)合實(shí)際的參數(shù)仿真設(shè)計(jì)出衰減器,解決了電子注通道處微波不截止從而不能使用切斷結(jié)構(gòu)的問題。最終成功模擬設(shè)計(jì)出一支兩段式Ka波段帶狀束RTWT,當(dāng)輸入功率為11kW時(shí),在35GHz處獲得19.5MW的輸出功率,對應(yīng)增益為32.5dB,效率為15.6%。5.為了解決電真空器件在太赫茲(THz)頻段由于結(jié)構(gòu)尺寸小、電流密度大以及空間電荷效應(yīng)強(qiáng),從而很難獲得大功率微波輸出的難題,提出了兩段雙注式帶狀束RTWT的概念,有利于實(shí)現(xiàn)大功率太赫茲輻射;提出了使用分支波導(dǎo)能量耦合器的方法,解決了將微波從第一個(gè)大寬度慢波系統(tǒng)輸入到第二個(gè)大寬度慢波系統(tǒng)的難題;最后成功模擬設(shè)計(jì)出一支220GHz帶狀束RTWT,獲得超過70MW的輸出。6.針對分支波導(dǎo)耦合器,采用基于相位疊加原理的理論推導(dǎo)方法,給出了適用于任意寬度、擁有任意耦合度的耦合器的物理模型,通過推導(dǎo)獲得了快速設(shè)計(jì)公式,利用該公式結(jié)合模擬的方法快速設(shè)計(jì)出兩段式帶狀束RTWT中的耦合器,同時(shí)還引申出幾種新型的強(qiáng)耦合以及3dB分支波導(dǎo)耦合器。
[Abstract]:High power vacuum devices are a kind of promising microwave sources, which have great potential in military and civil applications, among which relativistic backwave tube (RBWO) and relativistic traveling-wave tube (RTWT) are the most common. Increasing the output power and output frequency of high power microwave sources is an important development direction of such devices, and the use of banded electron beams is a method worth exploring to increase microwave power and frequency. So it is very valuable to study the RBWO and RTWT of banded electron beam. In this paper, we will explain and solve the problems encountered in the design of the strip electron beam device in turn, and finally prove that the band electron beam is beneficial to the realization of higher power. Especially for higher frequency microwave output. The important work and innovation of this paper are: 1. For rectangular single-gate, rectangular symmetrical double-gate and staggered double-gate slow-wave structure with arbitrary dislocation, the general dispersion equation is obtained. The equation is verified and the general dispersion equations of three kinds of rectangular gate structures are obtained for the large-width rectangular gate structures suitable for banded beam RBWO and RTWT. This equation is applicable to the analysis of low order mode in large width rectangular gate. For rectangular symmetric double grid band beam RBWOO, a new type of resonant reflector is proposed. The problem of rectangular symmetric double gate base film is solved not only by moving the cathode up, but also by using the method of moving up the cathode to solve the problem that the rectangular symmetric double gate base film is an antisymmetric mode. Finally, a Ka-band band beam RBWO.The microwave output of 31.1GHz and 46.8MW is obtained in the experiment. For the rectangular single-grid band beam RTWTs, an E-plane bending input structure is proposed. The problem that electron beam channel is not cut off to microwave is solved, a new structure of gradual change between waveguide and slow wave structure is proposed, and a feasible transition structure of connecting regular waveguide and large width waveguide is designed. The self-excited oscillation and the high-order mode are effectively suppressed, and the method of adjusting the synchronization between the electron beam and the input signal is proposed in the experiment. Finally, a Ka-band band beam RTWTs is successfully developed, and the output of 1.21MW is obtained at 35GHz. In order to further improve the output power of the band beam RTWT, the concept of two-segment band beam RTWT is proposed, and the practical implementation scheme of the attenuator is presented. An attenuator is designed based on the practical parameter simulation, which solves the problem that the microwave does not stop at the electron beam channel and can not use the cut off structure. Finally, a two-segment Ka-band band beam RTWTs is successfully designed, when the input power is 11kW, The output power of 19.5MW is obtained at 35GHz, the corresponding gain is 32.5dB, and the efficiency is 15.6. in order to solve the problem of high current density and strong space charge effect due to the small structure size, high current density and strong space charge effect, Therefore, it is difficult to obtain high power microwave output. The concept of two-stage dual-beam band beam RTWT is proposed, which is beneficial to the realization of high-power terahertz radiation, and the method of using branched waveguide energy coupler is presented. The problem of microwave input from the first large width slow wave system to the second large width slow wave system is solved. Finally, a 220 GHz band beam RTWTT is successfully designed, and more than 70 MW output. 6. For the branch waveguide coupler, Based on the theory of phase superposition, the physical model of coupler with arbitrary width and arbitrary coupling degree is given, and the fast design formula is obtained. The coupler in two-segment band beam RTWT is designed quickly by using the formula combined with simulation, and several new strong coupling and 3dB branch waveguide couplers are also developed.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN124

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