行波管再生反馈振荡器的研究

摘要

太赫兹或亚毫米波频段（300GHz～3000GHz）的电磁波在通信，宇航，安全，医学成像，生物化学以及制造等行业中具有非常广泛的应用前景。如何得到稳定可靠，高效高能，以及相对成本并不高昂的太赫兹辐射源，一直是太赫兹领域中热门的话题之一。由于目前对于太赫兹辐射源的相对匮乏，电真空器件又重新得到了前所未有的重视和发展。作为微波电真空领域中最主要的器件之一的行波管，一直在雷达通信和电子战中发挥着重要的作用，并且在不断发展着。而近年来，以折叠波导作为慢波结构的行波管再生反馈振荡器被提出，并且已经被证明是非常优秀的太赫兹源器件。美国Northrop Crumman Corporation在2008年的世界红外与毫米波暨太赫兹技术大会报告指出，由其研制并生产的太赫兹折叠波导行波管反馈振荡器通过调节其电子束电压，可以提供稳定的607-675GHz的信号源输出，并且在656GHz上可以达到50毫瓦的最大功率输出，电子效率为0.45％。此类器件的原理是将含有衰减器（或者由反馈回路的损耗作为衰减器）的正反馈电路接在行波管放大器结构的输出端与输入端之间，将电子注的噪声放大，最终通过振荡得出一定频率的信号。通过调节反馈回路的衰减值和相移，可以得到稳态的单频，多频，乃至混沌现象。本文从行波管注波互作用模型入手，对行波管再生反馈振荡器的原理进行了分析，并从对行波管再生反馈振荡器的一些特殊的物理问题进行了理论与实验的详细研究。主要工作和创新有：
　　 ⑴研究并分析了行波管线性与非线性互作用模型。线性模型以Pierce小信号理论为基础模型，给出了包含空间电荷场、衰减以及返波的数学方程组；非线性模型以近年来美国所提出并得到广泛应用的互作用程序CHRISTINE的理论为基础模型，给出了包含空间电荷场、衰减以及切断区域的工作方程组。分别对它们编写了计算程序，将模拟结果与实验结果或其它近似模型的计算结果进行了对比。此两种模型的理论与程序作为本论文中分析和研究行波管再生反馈振荡器的注波互作用理论与工具。
　　 ⑵对行波管再生反馈振荡器这一类新型太赫兹源器件进行了介绍、分析以及数学物理建模。提出了该器件的详细振荡过程物理模型以及其振荡频率所满足的振荡条件，并将此振荡条件作为后续分析行波管再生反馈振荡器振荡频率的理论基础。
　　 ⑶对560GHz折叠波导行波管再生反馈振荡器进行了详细的建模和非线性模拟计算。以美国威斯康星大学研制的560GHz折叠波导结构作为慢波结构，采用非线性互作用模型，对此560GHz折叠波导行波管再生反馈振荡器进行了振荡过程模拟。最终模拟结果显示在550-580GHz频率范围内均有单频输出信号，并在560GHz附近时获得最大输出功率。
　　 ⑷对行波管再生反馈振荡器的振荡频率随电压跳变的现象进行了详细理论分析与实验验证。以威斯康星大学研制的40-55GHz折叠波导行波管与Varian2-8GHz螺旋线行波管为放大结构，进行理论分析并在实验上建立了40GHz与5GHz再生反馈振荡器系统，实验结果很好的验证了得到的理论。并且证明此理论为行波管再生反馈振荡系统通适理论，与折叠波导慢波结构无关。
　　 ⑸对反馈衰减对行波管再生反馈振荡器的影响进行了理论分析与实验验证。由于再生反馈振荡器采用微加工技术成型，在管壳封装完毕之前对反馈回路的影响的研究非常必要。本文通过实验给出了反馈衰减对振荡模式的影响，同时在理论上对其进行解释分析，得到了高度一致的结果。
　　 ⑹建立了行波管再生反馈振荡器时域测试系统，通过实验测量了行波管再生反馈振荡器的时域起振过程，成功记录了单频振荡模式和几组常见的多频振荡模式的振荡过程，并记录了混沌现象。同时对其进行频域内的测量，并给出了一致条件下的结果对比，为以后的理论分析奠定了基础。