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矩形栅慢波结构及输入输出装置的研究

舟婕  
【摘要】:太赫兹雷达以其高分辨率、强穿透力、低截获率、强抗干扰性、优越的反隐身和穿透等离子体能力而具有强大的技术优势。行波管被称为雷达的心脏,而慢波结构是行波管的核心部件。因此工作在太赫兹频段的行波管慢波结构是目前业界的研究热点。工作频率提高后,传统行波管遇到尺寸过小、功率容量低、加工工艺难以实现等困难。矩形栅慢波结构是行波管慢波结构的一种,为全金属结构,具有散热性好,功率容量大,耦合阻抗高,易于加工等优点,可适用于太赫兹频段。矩形栅慢波结构多采用带状电子束工作。带状电子束可以降低空间电荷效应,从而降低对聚焦磁场峰值的要求。同时,带状电子束能和平面慢波结构更加紧密的结合,进而提高微波管的整体效率。 本文首先简要介绍了矩形栅慢波结构行波管的发展和研究现状。随后,以矩形双栅慢波结构为研究对象,推导了其色散方程与耦合阻抗的表达式。利用三维电磁仿真软件CST MWS,设计并优化了工作在220GHz频段的矩形单栅和矩形双栅慢波结构,给出了其色散曲线、耦合阻抗和相速特性等。其次,由于单边双矩形栅慢波结构采用发展成熟的圆电子注,而交错型矩形栅慢波结构的带宽较宽等优点,本文针对这两种慢波结构进行了研究,分析了其色散特性及耦合阻抗,讨论了各结构参数对其高频特性的影响。再次,输入输出结构直接影响了电磁波能否顺利馈入和输出慢波结构,对一个系统有至关重要的作用。本文设计并分析了三个慢波结构的输入输出系统,即矩形双栅慢波结构双口输入输出系统、矩形单栅慢波结构单口输入输出系统和交错矩形栅慢波结构输入输出系统。最后,本文讨论了以上三种输入输出系统的主要结构参数对其传输特性的影响。 本文的研究可为今后工作在220GHz频段的矩形栅慢波结构的研究和设计提供一定的参考。在目前的工艺条件下,工作在220GHz频段的矩形栅慢波结构可满足多项毫米波亚毫米波行波管的要求。尚存在的不足是尺寸减小带来的加工困难,适用于多种矩形栅慢波结构的带状电子束与其磁场聚焦系统的进一步完善,尤其是用于高功率、高频率微波器件的带状电子注的性能。


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