交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究.pdf

1、慢波結(jié)構(gòu)是線性注微波真空電子器件實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的產(chǎn)生或放大的最核心部件。帶狀電子注器件相比于傳統(tǒng)圓形電子注器件，因?yàn)榭梢悦黠@提高輸出功率而成為真空電子器件的一個(gè)新的發(fā)展方向。工作在微波及毫米波低頻段的真空電子器件研究相對(duì)成熟，有不少管型已成功應(yīng)用于國(guó)防和民用領(lǐng)域。在中小功率領(lǐng)域的應(yīng)用中很多真空器件逐漸被不斷發(fā)展的微波固態(tài)器件所替代，而在毫米波的高頻部分特別是3mm及以上的頻段，固態(tài)器件的應(yīng)用還很少。真空電子器件可以輕松地工作到這些頻段，但

2、是對(duì)工作在這些頻段的器件研究還相對(duì)薄弱。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)器件的工作頻段要求越來(lái)越高，希望得到的功率也越來(lái)越大，這也成為了我們對(duì)真空電子器件的一個(gè)追求目標(biāo)。因此對(duì)工作在短毫米波的大功率微波真空電子器件的研究具有較高的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本論文以交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)為研究出發(fā)點(diǎn)，從理論、模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)等方面深入地研究了基于帶狀電子注工作的 W波段、140GHz頻段大功率行波管和返波振蕩器，研究了一種適用于圓形電子注工作的交錯(cuò)雙柵行

3、波管。提出了這類器件的高頻系統(tǒng)部件，提出了適用于帶狀電子注器件的電子光學(xué)系統(tǒng)。提出將虛邊界元法應(yīng)用于行波管多級(jí)降壓收集極的計(jì)算。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　一、深入研究了交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)的模式結(jié)構(gòu)、場(chǎng)結(jié)構(gòu)、空間諧波、色散特性和耦合阻抗，將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于行波管，提出了適用于該類行波管的慢波電路過(guò)渡結(jié)構(gòu)、輸入輸出結(jié)構(gòu)，解決了基于該慢波結(jié)構(gòu)的行波管高頻系統(tǒng)衰減和反射大等難題。提出了一種既能保持電路反射系數(shù)小，又能抑制行波管振蕩的集中衰減

4、器，保證了行波管的穩(wěn)定工作。構(gòu)建了工作在W波段和140GHz頻段的帶狀電子注交錯(cuò)雙柵行波管，計(jì)算結(jié)果顯示這類行波管具比較大的輸出功率和比較寬的工作頻帶，為將來(lái)研制寬帶大功率短毫米波行波管奠定了基礎(chǔ)。
　　二、提出將交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)應(yīng)用于W波段和140GHz頻段帶狀電子注返波振蕩器。分析了將交錯(cuò)雙柵結(jié)構(gòu)作為返波振蕩器電路最適合的工作模式和工作諧波，從理論上預(yù)測(cè)返波振蕩器的工作頻帶及對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電壓范圍。提出了振蕩器的慢波電路過(guò)渡結(jié)構(gòu)和

5、輸出結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了工作在兩個(gè)頻段的返波振蕩器。計(jì)算結(jié)果顯示，這兩只返波振蕩器均能在較寬頻帶內(nèi)得到瓦級(jí)以上的穩(wěn)定功率輸出。該研究為大功率短毫米波輻射源提供了一種解決方案。
　　三、提出了一種帶狀注電子槍，發(fā)明了一種帶狀注多級(jí)降壓收集極，并設(shè)計(jì)了一種PCM磁聚焦系統(tǒng)，構(gòu)成了一套帶狀注器件電子光學(xué)系統(tǒng)。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，電子槍能夠提供滿足需求的電子注，聚焦系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)帶狀注的良好聚焦，多級(jí)降壓收集極中電子在電極內(nèi)壁的“著陸”較均勻，電子回

6、流率小，收集效率高。該研究提供了一套完整的帶狀注器件電子光學(xué)系統(tǒng)解決方案，為高效率帶狀電子注器件的研制打下了基礎(chǔ)。
　　四、為了解決帶狀注行波管的聚焦困難，通過(guò)對(duì)常規(guī)交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)變形，將其應(yīng)用在了W波段圓形電子注行波管。計(jì)算結(jié)果顯示該行波管在88-103GHz頻帶內(nèi)可得到大于200W的峰值功率輸出。這只圓形注行波管對(duì)聚焦要求不高，工程實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，適用于不需要大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。
　　五、提出將虛邊界元法這種數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)

7、用于多級(jí)降壓收集極的計(jì)算，論證了該方法用于計(jì)算軸對(duì)稱收集極的理論基礎(chǔ)。它可以解決計(jì)算開(kāi)敞結(jié)構(gòu)時(shí)普通方法計(jì)算不準(zhǔn)確的問(wèn)題，也解決了邊界元法會(huì)遇到的奇異積分的問(wèn)題，這種方法具有計(jì)算速度快，計(jì)算精度高的特點(diǎn)。編寫(xiě)了基于該方法的二維多級(jí)降壓收集極計(jì)算機(jī)代碼，并計(jì)算了軸對(duì)稱多級(jí)降壓收集極，得到了良好的計(jì)算結(jié)果。該方法對(duì)于指導(dǎo)高效率收集極的設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。
　　六、提出了W波段帶狀電子注交錯(cuò)雙柵行波管高頻系統(tǒng)的加工方案，分別加工了慢波電路及