毫米波带状注行波管及扩展互作用振荡管高频系统研究

摘要

毫米波技术在5G通信、安检成像、雷达探测、电子对抗以及材料检测等军民领域具有巨大的应用前景。毫米波放大器/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。作为毫米波源的解决方案之一，毫米波真空电子器件近年来获得了较为广泛的关注。国内外研究人员在毫米波低频段（30-100GHz）对真空电子器件展开了深入的研究，取得了较大的进展，初步具备了一些比较成熟的解决方案。为了进一步提高工作在毫米波低频段真空电子器件的整管性能，需要对一些新型的真空电子器件展开深入研究，比如带状注器件。在毫米波高频段（100-300GHz），毫米波源仍然处于探索阶段，大功率小型化毫米波源目前比较匮乏，需要世界各国科研工作者的努力探索。基于真空电子器件在毫米波低频段和高频段的研究现状，本论文做了以下两个方面的工作：（1）在毫米波低频段，对Q波段（30-50GHz）带状注行波管的高频系统进行了深入研究，致力于整管性能的提升，以获取大功率紧凑型的毫米波放大器。（2）在毫米波高频段，对0.2THz的带状注扩展互作用振荡管进行了研究，提出利用赝火花带状电子注进行驱动，致力于为大功率小型化的毫米波太赫兹振荡源提供可能的解决方案。
　　和传统圆形注行波管相比，带状注行波管具有大功率输出的特点；和回旋行波管相比，带状注行波管具有小型化的优点。因此，带状注行波管是一个具有巨大发展潜力的毫米波放大器。然而带状注行波管的研制目前尚未成熟，存在诸多的研制挑战和困难。对于带状注行波管的研究，本论文主要集中在高频系统方面，由本论文的第2-4章构成。第2章对带状注行波管的输入输出结构进行了研究，为带状注行波管提出了四种新型的输入输出耦合器：（1）L形分支波导耦合器及其变形结构；（2）Y形分支波导耦合器及其变形结构；（3）多分支波导耦合器；（4）单分支波导耦合器。以上结构主要是通过以下两种创新思路获得的：（a）将其它领域广泛应用的耦合器引入到带状注行波管中；（b）在传统结构的基础上，通过引入反射腔、对称谐振腔以及介质吸波材料等方式进行性能的改进。利用理论分析、模拟仿真和毫米波冷测等手段对以上几种结构进行了分析。和发表文献中的耦合器相比，以上几种耦合器不仅在电性能上得到了较大提升，比如超宽频带，而且在结构性能方面也得到了很大提高，比如大的电子注通道以及紧凑的结构。所提出的几种输入输出耦合器均能很好地用于带状注行波管的注波分离/汇合。
　　第3章对带状注行波管慢波结构的带宽提升、效率提高以及稳定性进行了专题研究。对慢波结构的工作特性进行了深入的理论分析。提出采用双模工作的思路来提升工作带宽。PIC模拟结果表明：双模工作将工作带宽由9GHz扩展至15GHz。对高频系统进行了冷测实验，模拟结果和实验结果在趋势上吻合。对整管进行了热测实验，在两个模式对应的频点上均测到了输出功率，证实了双模工作的可行性。在传统交错栅慢波结构的基础上，提出了电子注通道曲线轮廓的改进结构。PIC模拟结果表明：输出功率、增益和效率分别提高了1kW、3dB和2％。另外，还对提升效率和增益的其它方法进行了研究，包括窄带高效和相位重匹配等方法。研究表明：这几种方法均能够很好地提高整管的效率和增益。对注波互作用的反射振荡和返波振荡进行了研究，并提出了相应的振荡抑制方案。提出了一种新型的介质衰减器，该衰减器能够有效抑制振荡的同时也大大降低了工程实现难度。
　　低损介质材料，比如氧化铍、Al2O3陶瓷和蓝宝石，被广泛应用于带状注行波管的高频系统中。介质材料复介电常数的精确测量对于带状注行波管高频系统的设计具有很好的指导意义。在介质材料的测试中，低损介质材料的测试难度非常大，具有重大的研究价值。本论文研制了一套低损材料准光腔复介电常数测试系统。传统准光腔复介电常数测试系统，通常利用双孔耦合测传输的方法获取S21曲线。本论文提出利用单孔耦合测反射的方法获取S11曲线，从而简化了准光腔的耦合结构，利于加工和装配。为了验证该方案的可行性，对准光腔进行了深入的理论分析以及模拟仿真，设计了一个W波段的准光腔。基于研制的准光腔，搭建了一套复介电常数测试系统，对蓝宝石窗片材料进行了测试。本文测试结果和发表文献测试结果相吻合。
　　对于0.2THz带状注扩展互作用振荡管的研究，主要是提出了一种新的创新思路，并对该思路进行了初步的探索研究。当工作频率提升至毫米波高频段乃至太赫兹波段时，电子注电流小、铜损大、加工装配难度大、电子注聚焦难度大等一系列问题将会变得更加严重。为了减小这些问题所带来的不利影响，本学位论文提出结合等离子体阴极电子枪（超高电流密度、离子通道聚焦）、带状电子注（大的电子注面积）以及扩展互作用振荡管（单位长度增益很大、注波互作用长度短、结构紧凑）的各自优势，形成优势互补，以期获得一个大功率小型化的毫米波太赫兹脉冲源。为了验证这个构思，本学位论文做了以下几个工作：（1）对等离子体阴极电子枪进行了实验研究，并对赝火花带状电子注的特性进行了初步研究；（2）优化设计了一个高频系统，并进行了加工和冷测，测试结果在趋势上和模拟结果基本吻合；（3）对整管进行了装配以及初步的热测实验，在热测实验时探测到了毫米波信号。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 论文课题研究意义

1.2 毫米波带状注真空电子器件的国内外研究现状

1.3 毫米波赝火花电子注真空电子器件的国内外研究现状

1.4 本学位论文的工作内容与创新点

第二章 Q波段带状注行波管输入输出结构的研究

2.1 输入输出结构的介绍

2.2 输入输出耦合器的研究

2.3 输入输出窗的研究

2.4 本章小结

第三章 Q波段带状注行波管慢波结构的研究

3.1 慢波结构的介绍

3.2 提高工作带宽的研究

3.3 效率和增益提高的研究

3.4 振荡抑制的研究

3.5 本章小结

第四章 高频系统低损介质材料复介电常数测试系统

4.1 研究意义及测试方法简介

4.2 平凹腔的研制

4.3 系统搭建与窗片材料测试

4.4 本章小结

第五章 0.2 THz 赝火花带状电子注扩展互作用振荡管

5.1 研究意义及创新思路

5.2 等离子体阴极电子枪

5.3 高频系统的研究和设计

5.4 扩展互作用振荡管的组装和测试

5.5 本章小结

第六章 总结和展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果