行波管再生反饋振蕩器的研究.pdf

1、太赫茲或亞毫米波頻段（300GHz～3000GHz）的電磁波在通信，宇航，安全，醫(yī)學(xué)成像，生物化學(xué)以及制造等行業(yè)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。如何得到穩(wěn)定可靠，高效高能，以及相對(duì)成本并不高昂的太赫茲輻射源，一直是太赫茲領(lǐng)域中熱門的話題之一。由于目前對(duì)于太赫茲輻射源的相對(duì)匱乏，電真空器件又重新得到了前所未有的重視和發(fā)展。作為微波電真空領(lǐng)域中最主要的器件之一的行波管，一直在雷達(dá)通信和電子戰(zhàn)中發(fā)揮著重要的作用，并且在不斷發(fā)展著。而近年來(lái)，以折疊波

2、導(dǎo)作為慢波結(jié)構(gòu)的行波管再生反饋振蕩器被提出，并且已經(jīng)被證明是非常優(yōu)秀的太赫茲源器件。美國(guó)Northrop Crumman Corporation在2008年的世界紅外與毫米波暨太赫茲技術(shù)大會(huì)報(bào)告指出，由其研制并生產(chǎn)的太赫茲折疊波導(dǎo)行波管反饋振蕩器通過(guò)調(diào)節(jié)其電子束電壓，可以提供穩(wěn)定的607-675GHz的信號(hào)源輸出，并且在656GHz上可以達(dá)到50毫瓦的最大功率輸出，電子效率為0.45％。此類器件的原理是將含有衰減器（或者由反饋回路的損耗

3、作為衰減器）的正反饋電路接在行波管放大器結(jié)構(gòu)的輸出端與輸入端之間，將電子注的噪聲放大，最終通過(guò)振蕩得出一定頻率的信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)反饋回路的衰減值和相移，可以得到穩(wěn)態(tài)的單頻，多頻，乃至混沌現(xiàn)象。本文從行波管注波互作用模型入手，對(duì)行波管再生反饋振蕩器的原理進(jìn)行了分析，并從對(duì)行波管再生反饋振蕩器的一些特殊的物理問(wèn)題進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)研究。主要工作和創(chuàng)新有：
　　 ⑴研究并分析了行波管線性與非線性互作用模型。線性模型以Pierce小信

4、號(hào)理論為基礎(chǔ)模型，給出了包含空間電荷場(chǎng)、衰減以及返波的數(shù)學(xué)方程組；非線性模型以近年來(lái)美國(guó)所提出并得到廣泛應(yīng)用的互作用程序CHRISTINE的理論為基礎(chǔ)模型，給出了包含空間電荷場(chǎng)、衰減以及切斷區(qū)域的工作方程組。分別對(duì)它們編寫了計(jì)算程序，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果或其它近似模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。此兩種模型的理論與程序作為本論文中分析和研究行波管再生反饋振蕩器的注波互作用理論與工具。
　　 ⑵對(duì)行波管再生反饋振蕩器這一類新型太赫茲源器件

5、進(jìn)行了介紹、分析以及數(shù)學(xué)物理建模。提出了該器件的詳細(xì)振蕩過(guò)程物理模型以及其振蕩頻率所滿足的振蕩條件，并將此振蕩條件作為后續(xù)分析行波管再生反饋振蕩器振蕩頻率的理論基礎(chǔ)。
　　 ⑶對(duì)560GHz折疊波導(dǎo)行波管再生反饋振蕩器進(jìn)行了詳細(xì)的建模和非線性模擬計(jì)算。以美國(guó)威斯康星大學(xué)研制的560GHz折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為慢波結(jié)構(gòu)，采用非線性互作用模型，對(duì)此560GHz折疊波導(dǎo)行波管再生反饋振蕩器進(jìn)行了振蕩過(guò)程模擬。最終模擬結(jié)果顯示在550-580

6、GHz頻率范圍內(nèi)均有單頻輸出信號(hào)，并在560GHz附近時(shí)獲得最大輸出功率。
　　 ⑷對(duì)行波管再生反饋振蕩器的振蕩頻率隨電壓跳變的現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以威斯康星大學(xué)研制的40-55GHz折疊波導(dǎo)行波管與Varian2-8GHz螺旋線行波管為放大結(jié)構(gòu)，進(jìn)行理論分析并在實(shí)驗(yàn)上建立了40GHz與5GHz再生反饋振蕩器系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的驗(yàn)證了得到的理論。并且證明此理論為行波管再生反饋振蕩系統(tǒng)通適理論，與折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)

7、。
　　 ⑸對(duì)反饋衰減對(duì)行波管再生反饋振蕩器的影響進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于再生反饋振蕩器采用微加工技術(shù)成型，在管殼封裝完畢之前對(duì)反饋回路的影響的研究非常必要。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出了反饋衰減對(duì)振蕩模式的影響，同時(shí)在理論上對(duì)其進(jìn)行解釋分析，得到了高度一致的結(jié)果。
　　 ⑹建立了行波管再生反饋振蕩器時(shí)域測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了行波管再生反饋振蕩器的時(shí)域起振過(guò)程，成功記錄了單頻振蕩模式和幾組常見(jiàn)的多頻振蕩模式的振蕩過(guò)程，并記錄