W波段折叠波导慢波结构的研究

论文摘要

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—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％。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 背景
• 1.1.1 行波管的发展历史
• 1.1.2 微波真空电子器件与高频固态器件的性能比较
• 1.1.3 微波真空电子器件的复兴
• 1.2 微波真空电子器件的发展趋势
• 1.2.1 传统微波真空电子器件的性能改进
• 1.2.2 高功率微波源的发展
• 1.2.3 场致发射阵列阴极和微型真空电子器件的发展
• 1.2.3.1 场致发射阵列阴极
• 1.2.3.2 微型真空电子器件
• 1.3 W波段微型折叠波导行波管
• 1.3.1 W波段研究意义
• 1.3.2 折叠波导慢波结构
• 1.4 论文的研究内容和研究方法
• 1.4.1 论文的研究内容
• 1.4.2 论文的研究方法
• 第2章 折叠波导慢波结构理论和小信号理论分析
• 2.1 折叠波导慢波结构理论分析
• 2.2 折叠波导慢波结构等效电路法分析
• 2.1.1 直角弯曲与U型弯曲折叠波导慢波结构
• 2.2.2 U型弯曲折叠波导慢波结构等效电路法分析
• 2.2.3 直角弯曲折叠波导慢波结构等效电路法分析
• 2.3 折叠波导行波管耦合结构
• 2.4 行波管小信号理论
• 2.4.1 行波管特征方程
• 2.4.2 行波管小信号增益
• 2.4.3 利用小信号参量对互作用效率的估算
• 2.5 本章小结
• 第3章 W波段折叠波导慢波结构综合设计与理论计算
• 3.1 W波段折叠波导慢波结构综合设计
• 3.2 W波段折叠波导慢波结构理论计算
• 3.2.1 冷特性参数理论计算
• 3.2.2 等效电路法理论计算
• 3.2.3 几何尺寸对冷特性参数影响的分析
• 3.3 W波段折叠波导行波管小信号理论计算
• 3.4 本章小结
• 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
• 4.1 大型电磁软件概述
• 4.2 利用MAFIA模拟W波段折叠波导慢波结构的冷特性参数
• 4.2.1 利用MAFIA模拟色散特性
• 4.2.2 折叠波导慢波结构的色散特性的测试
• 4.2.3 利用MAFIA模拟耦合阻抗
• 4.3 利用MAFIA模拟W波段折叠波导行波管耦合结构
• 4.4 利用MAFIA模拟折叠波导行波管三维注波互作用
• 4.4.1 三维互作用模拟步骤
• 4.4.2 MAFIA数值计算参数的优化
• 4.4.3 三维互作用小信号增益模拟
• 4.4.4 三维注波互作用分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 深刻加工工艺的初步探讨
• 5.1 LIGA
• 5.2 UV-LIGA
• 5.3 DRIE
• 5.4 电火花加工
• 5.5 本章小结
• 第6章 场致发射阵列阴极电子枪
• 6.1 场致发射阵列阴极与微型真空电子器件
• 6.2 场致发射阵列阴极电子枪概述
• 6.3 场致发射阵列阴极的聚焦
• 6.3.1 场致发射阵列阴极聚焦概述
• 6.3.2 同轴双栅极SPINDT阴极模拟及分析
• 6.3.3 同轴双栅极SPINDT阴极的制作
• 6.4 场致发射阵列阴极大面积均匀发射的分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 7.1 主要结论与创新点
• 7.2 今后工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表