毫米波带状注扩展互作用振荡器研究

摘要

毫米波通常指波长在1-10mm之间，工作频率在30GHz到300GHz之间的电磁波。毫米波技术在国防、人工检测、5G通信、无人驾驶汽车等方面有着巨大的应用。毫米波振荡器是毫米波技术的重要组成部分，具有重大的研究价值。 扩展互作用速调管和扩展互作用振荡器统称为扩展互作用器件。其中扩展互作用速调管（EIK）是一种放大器，已被用作高功率毫米波真空设备的重要来源。ElO在科学，商业和军事应用中发挥着重要作用，如通信，雷达，发射机，大气传感和近物体分析。EIO的相互作用腔是短波慢波结构，它利用了行波管（TWT）和速调管的优点。而常见的扩展互作用振荡器有圆柱的EIO和带状注的EIO。圆柱与带状注的区分在于它们的电子通道。其中在传统圆柱EIO难以产生大功率，因为谐振腔中的尺寸小和大电流密度。带状注的EIO可以明显降低光束的电流密度，从而降低光束的自由空间电荷效应。与圆柱EIO相比，可以承载更大的电流，从而增强光束功率，实现高输出功率。比如CIP公司的研究人员设计了一种高频CW可调谐EIO，工作频率为264GHz，输出功率为1W。带状注EIO比圆柱EIO在相同情况下，其散热效果更好，能产生高的功率。 本论文展开对毫米波带状注扩展互作用振荡器的探究。设计Ka波段的高频结构，讨论间隙数目与特性阻抗及输出功率的关系。又基于电子通道和输出端口不变的情况下，展开耦合腔和互作用间隙及耦合口的参数改变对谐振频率、特性阻抗、场强分布的影响，并进行耦合腔和互作用间隙的参数改变对色散曲线的影响。最终成功的设计出了在电子注0.8mm×3.2mm下，电子注进入1mm×4mm的电子通道，在工作电压15.5kV、工作电流4A、工作频率在33.57GHz的情况下，最终达到了输出功率14.9kW，电子效率为24%的Ka波段带状注扩展互作用振荡器。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 毫米波简介

1.3 毫米波器件及其发展

1.3.1 扩展互作用器件

1.3.2 带状注器件

1.3.3 带状束扩展互作用器件

1.4 本论文的结构安排

第二章 带状束扩展互作用器件的理论及小信号理论分析

2.1.1 单个腔体

2.1.2 扩展互作用腔体

2.2 电子注的漂移群聚

2.2.1 群聚电流

2.2.2 电子注与场的能量转换

2.3 扩展互作用中的起振电流分析

2.4 谐振腔主要参数

2.4.1 谐振波长 λ0

2.4.2 品质因数

2.5 效率计算

2.6 本章小结

第三章 Ka波段带状注扩展互作用振荡器设计与优化

3.1 Ka波段的高频结构设计

3.1.1 工作模式的选取

3.1.2 高频结构中工作模式的调制过程

3.2 间隙数量的选取

3.3.1 耦合腔的参数变化影响

3.3.2 互作用间隙的参数影响

3.3.3 耦合口的参数影响

3.4 EIO的色散特性

3.5 本章小结

第四章 Ka波段带状注扩展互作用PIC仿真分析

4.1 热腔仿真分析

4.2 注波互作用分析

4.3 本章小结

第五章 结束语

5.1 全文总结

5.2 后续工作及展望

致谢

参考文献