W波段折叠波导慢波结构的研究

摘要

微型真空电子器件近期得到了蓬勃的发展，这种器件的小型互作用电路的研发也取得了另人瞩目的成果，已经成为当前真空电子学领域的研究热点。微型真空电子器件充分结合了微波真空电子器件的工作原理和微细加工的特点，既适合高频、大功率应用，能够适应宽广的温度范围和强辐射环境，又实现了微细加工技术高精度、低成本、高可重复性等优势，满足高频器件对加工十分苛刻的要求。折叠波导慢波结构是一种全金属结构，在高频应用中具有大功率、宽频带、便于微细加工等特点，微型折叠波导行波管可以作为一种毫米波、甚至亚毫米波小型辐射源。针对军事电子装备、雷达系统、通讯等应用的需求，W波段折叠波导行波管的研究对于该波段的这种新型器件的开拓有重要作用。 本论文以W波段折叠波导慢波结构为研究题目，研究目的在于为利用微细加工技术制造微型折叠波导行波管奠定理论和实际的基础，主要对W波段折叠波导慢波结构及相关技术进行理论分析、初步设计、数值模拟和初步实验探讨，论文的主要内容如下： 前言介绍了行波管的发展历史和目前真空电子器件主要发展趋势，对微型真空电子器件及场致发射阵列阴极的发展历史及其技术水平进行了详细、全面的论述。 对折叠波导慢波电路的理论进行了分析，推导了折叠波导慢波结构的两个重要冷特性参数一色散特性和耦合阻抗的公式；分别给出了u型弯曲和直角弯曲折叠波导慢波结构的等效电路分析方法；折叠波导行波管理论通过小信号理论分析，并且给出了通过小信号参量近似估算互作用效率的方法。 基于上述理论，使用MathWorks公司的计算软件MATLAB对W波段折叠波导慢波结构的冷参数特性进行了理论计算。计算主要包括了色散关系以及轴线耦合阻抗，其中色散特性结果显示，经过初步综合设计的W波段折叠波导慢波电路的冷带宽达到36.2％。全面总结了折叠波导慢波结构几何参数对冷特性参数的影响，这些规律对初步综合设计中几何参数的优化有重要的指导作用。本论文还对W波段折叠波导行波管小信号理论进行了计算，分析了增益参量、空间电荷参量和速度参量等小信号参量，给出了四十八个几何周期W波段折叠波导行波管小信号增益曲线，在中心频率增益为29.4dB，利用小信号参量估算互作用效率为4.58％。在设计的初步阶段采用了综合设计的方法，根据技术指标，结合预设的初始参量通过折叠波导慢波电路理论和小信号分析对几何尺寸进行优化，输出功率的计算通过使用小信号参量估算互作用效率间接进行的，如果不满足输出功率技术指标，则根据计算结果调整初始参量数值后，重复上述的设计过程直到所有技术指标要求都得到满足。使用MATLAB编制了相应的设计程序，得到了U型弯曲和直角弯曲的W波段折叠波导慢波结构几何参数和电子注参数。 利用CST公司的电磁计算软件MAFIA模拟了W波段折叠波导慢波电路的冷参数特性，模拟的结果与理论分析具有很好的一致性。使用电火花线切割技术得到了Ka波段折叠波导慢波结构，用于W波段折叠波导慢波结构的等比放大实验，等比放大实验的结果显示色散特性的测试值与模拟值完全符合。论文还对输入/输出耦合结构进行了探讨，考虑工艺可行性和传输特性提出了三种方案，利用MAFIA模拟了6mm双向线性波导渐变器的S参数，结果显示中心频率的反射系数小于0.1。 论文重点研究了利用MAFIA软件的TS3模块对W波段折叠波导行波管进行三维注波互作用模拟，给出了模拟的一般步骤和计算参数的优化标准，模拟了不同互作用区长度的小信号增益曲线，与小信号理论相比，在中心频率，十六和二十四个几何周期增益相对误差分别为3.68％和1.79％。对四十八个几何周期W波段折叠波导行波管进行了重点分析，得到了比较全面的模拟结果。根据最大小信号增益和最大输出功率条件进行优化，工作电压分别为17.5kV和17.65kV。对应最大小信号增益，优化的电压使中心频率的互作用效率提高到12.29％。92GHz、94GHz和96GHz功率特征曲线显示，它们的饱和输出功率分别为271W、329W和366W，达到饱和状态所需的输入功率分别为0.4w、0.8W和1.6W。当输入功率为0.41W时，瞬时带宽达到9％，覆盖了从88.5GHz到97GHz的频率范围，此时在93GHz得到最大输出功率为281W。 初步探讨了适用于W波段及以上频段折叠波导慢波结构的微加工技术。在诸多的微加工技术中，UV-LIGA技术、深反应离子刻蚀和电火花切割技术被认为具有较高的可行性，其中UV-LIGA由于其开发周期短、设备要求低等优点将作为下一步研究的重点。 微型真空电子器件对电子源提出了很高的要求，Spindt阴极电子枪是一种很有吸引力的选择，它具有很多引人注目的优点，例如高发射电流密度、室温工作、低工作电压等。对Spindt阴极电子枪的关键技术一电子注的聚焦进行了模拟、分析和必要的工艺实验。在诸多的聚焦方法中，采用了聚焦效果最佳的同轴局部聚焦。使用IES公司的LORENTZ 2D软件模拟了同轴聚焦Spindt阴极微尖，分析了聚焦电极电压和位置对聚焦效果的影响，得到了综合考虑发射能力和聚束效果的双栅极同轴Spindt阴极的几何尺寸。在大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室参与了双栅极Spindt阴极样品的工艺制作过程，掌握了基本的制作工艺。折叠波导慢波结构的理论分析、初步综合设计、MAFIA的三维互作用模拟已经开始应用于W波段波导慢波结构的设计和优化，这些工作为下一步实际制作微型折叠波导行波管打下了基础。

目录

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摘要

第1章前言

第2章折叠波导慢波结构理论和小信号理论分析

第3章W波段折叠波导慢波结构综合设计与理论计算

第4章W波段折叠波导慢波结构特性及三维互作用数值模拟

第5章深刻加工工艺的初步探讨

第6章场致发射阵列阴极电子枪

第7章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文