本文關鍵詞：G波段帶狀束返波管及Ku波段帶狀束行波管高頻結構研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在微波、毫米波和太赫茲波輻射源的研究中,帶狀電子注相比于傳統(tǒng)的柱狀電子注,由于具備了較大的互作用面積、較低的工作電流密度、較好的熱耗散能力和易于永磁包裝等優(yōu)點使得該類器件成為了高頻率大功率輻射源的首選目標。帶狀注器件的永磁包裝特性使得電子系統(tǒng)更易小型化和集成化,更適合于彈載、機載、艦載和星載等平臺;而工作在太赫茲波段的高功率源在高精度雷達、高速數據通信、醫(yī)學成像、頻譜學和射電天文學等諸多領域也有著巨大的應用價值。目前帶狀電子注器件的發(fā)展方向主要包括兩類:一類是以產生高頻率為目標的太赫茲真空電子輻射源;另一類則是具備結構小、重量輕的高功率小型化器件。這些器件的快速發(fā)展使得毫米波在未來的國防領域和國民經濟發(fā)展中具有重大的戰(zhàn)略意義和價值。本學位論文主要涉及到了兩款帶狀注器件的設計分析和工程化實現,一個是工作于G波段(140-220GHz)的帶狀注返波管,區(qū)別于常規(guī)的熱陰極電子槍,該返波管采用了高亮度和大電流密度的贗火花放電等離子體陰極進行電流驅動,同時不需要外加聚焦磁場進行約束,最終的熱測實驗成功檢測到了太赫茲輸出信號波形。另一個則是為工作于Ku波段(12-18GHz)的帶狀注行波管設計了高頻慢波結構以及相應的寬帶輸入輸出耦合組件,針對慢波結構的特點實現了雙模工作來擴展工作頻帶的有效驗證,基于遺傳算法對行波管的效率提升進行了深入的研究和探討。此外對連續(xù)波工作狀態(tài)下的行波管高頻結構提出了具有較好性能的冷卻方案。本論文所開展的主要工作及創(chuàng)新點分別如下:(1)利用考慮了電路損耗、空間電荷效應以及注-波同步因子的Pierce小信號理論分析了帶狀束返波管和行波管的起振特性和增長率,給出了隨著多種物理參量的變化趨勢,與模擬結果取得了很好的一致性。(2)利用贗火花放電中空陰極產生了具有高亮度、大電流密度的強流電子束,該電子束在不需要外加聚焦磁場的情況下可以進行長距離傳輸。返波管熱測中捕獲了較好的帶狀束截面圖像,成功在G波段檢測到了太赫茲輸出信號。(3)采用曲線Bragg諧振腔和多級弱匹配技術對帶狀束行波管的輸入輸出結構進行了改進設計,對提升耦合器的工作帶寬以及降低由反射所引起的行波管振蕩起到了很好的抑制作用。(4)提出并設計了一種針對交錯柵結構的側面分段加載衰減陶瓷方案,能夠在不引起結構尺寸和附加反射二次增加的基礎上,對寄生振蕩進行有效抑制,同時該結構不受聚焦磁體空間的限制,易于在慢波結構寬邊進行擴展和進行高強度冷卻。(5)區(qū)別于交錯柵的單模工作,設計并驗證了采用具有-1次和-2次空間諧波特性的兩個低階模式TE10和TM11工作的寬帶行波管,該雙模工作行波管能夠有效地將工作帶寬擴展近1倍。(6)采用了曲線柵齒和相位重匹配技術,并將遺傳算法應用在了注-波互作用效率的提升上,使得行波管的工作效率和增益特性獲得了明顯的提升和改善。(7)將微通道換熱概念引入到連續(xù)波行波管冷卻結構設計上,針對連續(xù)波工作需求,設計了具有高熱容量和熱處理能力的冷卻方案,通過對微波吸收和電子截獲所造成的熱損耗進行熱性能和應力分析證實該冷卻方案具有極好的性能。
【關鍵詞】：太赫茲輻射 帶狀注返波管 帶狀注行波管 贗火花放電 連續(xù)波工作
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN124
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 緒論12-30
• 1.1 太赫茲輻射源簡介12-14
• 1.2 帶狀注器件發(fā)展和研究現狀14-24
• 1.2.1 帶狀注行波放大器16-18
• 1.2.2 帶狀注返波管18-21
• 1.2.3 帶狀注Smith-Purcell和Cerenkov效應21-22
• 1.2.4 帶狀注速調放大器22-23
• 1.2.5 帶狀注電子回旋脈塞23-24
• 1.3 贗火花放電簡介24-27
• 1.4 本學位論文的主要工作及意義27-30
• 第二章 G波段帶狀束返波管高頻結構設計30-81
• 2.1 注-波互作用慢波結構30-37
• 2.1.1 色散特性分析31-36
• 2.1.2 損耗及反射特性36-37
• 2.2 返波管小信號理論分析37-50
• 2.2.1 Pierce小信號理論37-42
• 2.2.2 起振電流數值模擬42-47
• 2.2.3 小信號增長率計算47-50
• 2.3 注-波互作用PIC模擬50-54
• 2.3.1 起振電流計算50
• 2.3.2 PIC互作用模擬50-54
• 2.4 Bragg反射器設計與研究54-68
• 2.4.1 多模耦合理論分析及數值計算56-62
• 2.4.2 對稱矩形柵Bragg反射器分析和計算62-66
• 2.4.3 帶有Bragg反射器的返波管PIC模擬66-68
• 2.5 高頻互作用結構加工與測試68-76
• 2.5.1 線切割慢波結構測試68-71
• 2.5.2 3D打印慢波結構測試71-73
• 2.5.3 Bragg反射器加工和測試73-76
• 2.6 輻射喇叭天線及輸出窗設計及測試76-81
• 2.6.1 輻射喇叭天線設計77-79
• 2.6.2 輸出窗冷測實驗79-81
• 第三章 贗火花放電電子束產生和返波管熱測實驗81-98
• 3.1 氣體放電介紹81-84
• 3.2 贗火花放電中空陰極模擬計算84-90
• 3.2.1 單間隙放電模型85-88
• 3.2.2 多間隙放電模型88-90
• 3.3 贗火花放電陰極實驗90-94
• 3.4 G波段帶狀束返波管熱測實驗94-98
• 第四章 Ku波段帶狀束行波管高頻結構研究98-162
• 4.1 高頻慢波結構98-103
• 4.2 介質加載特性研究103-113
• 4.2.1 行波管自激振蕩103-108
• 4.2.1.1 反射振蕩103-106
• 4.2.1.2 返波振蕩106-107
• 4.2.1.3 邊帶振蕩107-108
• 4.2.2 介質加載特性研究108-113
• 4.3 輸入輸出耦合裝置設計113-128
• 4.3.1 輸入耦合器設計114-117
• 4.3.1.1 寬帶輸入耦合器114-116
• 4.3.1.2 具有Bragg反射腔體的輸入耦合器116-117
• 4.3.2 輸出耦合器設計117-123
• 4.3.3 輸入盒型窗設計123-125
• 4.3.4 輸出盒型窗研究125-127
• 4.3.5 整體高頻結構性能分析127-128
• 4.4 行波管小信號理論128-133
• 4.4.1 行波管小信號理論推導128
• 4.4.2 小信號理論數值模擬128-133
• 4.5 注-波互作用PIC模擬133-140
• 4.6 頻帶展寬問題研究140-143
• 4.7 行波管效率提升研究143-154
• 4.7.1 曲線柵齒慢波結構144-148
• 4.7.2 相位重匹配研究148-154
• 4.8 高頻結構加工與測試154-162
• 4.8.1 輸入耦合器冷測實驗154-156
• 4.8.2 輸出耦合器冷測實驗156-157
• 4.8.3 輸入盒型窗冷測實驗157-158
• 4.8.4 雙窗片輸出窗冷測實驗158-159
• 4.8.5 慢波結構冷測實驗159-162
• 第五章 連續(xù)波帶狀束行波管高頻結構研究162-188
• 5.1 高頻結構設計162-165
• 5.1.1 色散特性分析162-164
• 5.1.2 傳輸特性分析164-165
• 5.2 注-波互作用分析165-167
• 5.3 高頻結構熱分析167-185
• 5.3.1 熱力學基本概念167-170
• 5.3.2 衰減陶瓷熱分析及冷卻方案170-177
• 5.3.3 柵齒電子截獲熱分析及冷卻方案177-184
• 5.3.4 輸出窗熱分析及冷卻方案184-185
• 5.4 高頻結構應力分析185-188
• 第六章 總結和展望188-190
• 致謝190-191
• 參考文獻191-200
• 攻博期間取得的研究成果200-202

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本文編號：331003