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相对论带状束毫米波器件的研究

张亚斌  
【摘要】:高功率电真空器件是一类很有前景的微波源,在军用和民用领域都有很大的应用潜力,其中的相对论返波管(RBWO)和相对论行波管(RTWT)是最常见、用途较多的两类管种。提高高功率微波源的输出功率和输出频率是这类器件的一个重要发展方向,而使用带状电子束是提高微波功率和频率的一种值得探索的方法,因此对带状电子束RBWO和RTWT的研究是很有价值的。本文将依次阐述和解决设计带状电子束器件时所遇到的难题,最后证明带状电子束确实有利于实现更高功率、尤其是更高频率的微波输出。论文的重要工作和创新点有:1.针对矩形单栅、矩形对称双栅和具有任意错位的交错双栅慢波结构,进行了统一的研究并得到它们的通用色散方程,对该方程进行了验证;针对适用于带状束RBWO和RTWT的大宽度矩形栅结构,给出了新的理论求解思路,得到了三种矩形栅结构的通用色散方程,该方程适用于分析大宽度矩形栅中的低次模式。2.针对矩形对称双栅带状束RBWO,提出了一种新型谐振反射器,采用上移阴极的方法既解决了矩形对称双栅基膜为反对称模的问题,还有利于提高输出功率,最后成功研制出一支Ka波段带状束RBWO。实验中获得频率为31.1GHz、功率为46.8MW的微波输出。3.针对矩形单栅带状束RTWT,提出了E面弯曲输入结构,解决了电子注通道对微波不截止的难题;提出了新型的波导与慢波结构之间的渐变结构,设计出可行的连接规则波导和大宽度波导的过渡结构,有效地抑制了自激振荡和高次模式的产生;在实验中提出了调节电子束和输入信号之间同步的方法,最终成功研制出一支Ka波段带状束RTWT,在35GHz处获得了1.21MW的输出。4.为了进一步提高带状束RTWT的输出功率,提出了两段式带状束RTWT的概念;提出了实际可行的衰减器实现方案,并结合实际的参数仿真设计出衰减器,解决了电子注通道处微波不截止从而不能使用切断结构的问题。最终成功模拟设计出一支两段式Ka波段带状束RTWT,当输入功率为11kW时,在35GHz处获得19.5MW的输出功率,对应增益为32.5dB,效率为15.6%。5.为了解决电真空器件在太赫兹(THz)频段由于结构尺寸小、电流密度大以及空间电荷效应强,从而很难获得大功率微波输出的难题,提出了两段双注式带状束RTWT的概念,有利于实现大功率太赫兹辐射;提出了使用分支波导能量耦合器的方法,解决了将微波从第一个大宽度慢波系统输入到第二个大宽度慢波系统的难题;最后成功模拟设计出一支220GHz带状束RTWT,获得超过70MW的输出。6.针对分支波导耦合器,采用基于相位叠加原理的理论推导方法,给出了适用于任意宽度、拥有任意耦合度的耦合器的物理模型,通过推导获得了快速设计公式,利用该公式结合模拟的方法快速设计出两段式带状束RTWT中的耦合器,同时还引申出几种新型的强耦合以及3dB分支波导耦合器。


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