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1、电 子 科 技 大 学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA博士学位论文DOCTORAL DISSERTATION（电子科技大学图标）论 文 题 目： 毫米波新型曲折波导行波管的研究 学 科 专 业： 物 理 电 子 学 指 导 教 师： 魏彦玉 教授 作 者 姓 名： 何 俊 班 学 号： 200710402014 分类号 密级 UDC 学 位 论 文毫米波新型曲折波导慢波线行波管的研究（题名和副题名）何 俊（作者姓名）指导教师姓名 魏彦玉 教授 博导 电子科技大学 成都 （职务、职称、学位、单位名称及地址）申请学位级
2、别 博 士 专业名称 物理电子学 论文提交日期 20109 论文答辩日期 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 年 月 日注1：注明国际十进分类法UDC的类号Study on the millimeter-wave novel folded waveguide traveling wave tubeMajor: Physical ElectronicsAdvisor: Prof Wei Yanyu Doctor: He Jun 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包
3、含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名： 日期： 年 月 日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘要摘 要毫米波行波管，其
4、工作频段介于微波和红外之间，具有绝对带宽宽、波束窄、能全天候工作以及输出功率大等优点，在雷达、通信、遥感、电子对抗和等离子体诊断等方面显示了巨大的应用潜力。因此对新型大功率毫米波行波管的研究具有重要的现实意义。本论文在研究Ka波段曲折波导行波管的基础上，从理论、粒子模拟和实验等方面对毫米波段新型曲折波导行波管进行了深入的研究。主要工作和创新点如下：一、设计了Ka波段曲折波导连续波行波管的慢波结构、衰减器和能量耦合结构，建立了具有集中衰减器的注-波互作用三维模型，分析了电子注动能和高频场能量的变化情况，得到了各频点处的输出功率。在此基础上，装配了曲折波导行波管，并进行流通率调试和热测实验，在测试
5、中获得饱和功率峰值95W。实验测得的输出功率和增益与粒子模拟结果比较吻合，研究表明：作为一种全金属慢波结构，曲折波导慢波系统可以在较宽的频带内保证电子注与电磁波的同步条件，它具有大的功率容量，是发展宽带大功率毫米波源的一个新的途径。上述工作为新型曲折波导的研究奠定了理论和实验基础。二、为了提高带宽性能，研究了曲折双脊波导行波管。提出了曲折双脊波导慢波系统，建立了此种结构的高频特性理论以及注-波互作用线性理论，然后利用MAGIC 3D软件建立了有衰减器的曲折双脊波导行波管三维物理模型，对非线性互作用过程进行了模拟分析。通过与常规曲折波导行波管的粒子模拟结果比较，发现采用曲折双脊波导作为注-波互作
6、用结构，行波管的3dB增益带宽提高了75%。说明曲折双脊波导行波管能在更宽的频带内实现毫米波功率的放大。这项工作对宽带大功率行波管的研究具有参考价值。三、研究了Ka波段脊加载曲折波导行波管，提出了在直波导段加脊的变态曲折波导结构。从理论上分析了脊加载曲折波导结构的高频特性和线性增益特性，通过粒子模拟研究了此类行波管的注-波非线性互作用过程，并加工装配了一支实验管，进行相关实验调试。主要结果表明：随着脊尺寸的增加，脊加载曲折波导结构的耦合阻抗提高了，从而小信号增益峰值增大，但波的色散增强，增益带宽变小；设计脊尺寸时，应当综合考虑该尺寸对高频特性和增益的影响。在33-37GHz频率范围内，脊加载曲
7、折波导行波管的饱和输出功率均大于100W；特别是在34.5GHz处，饱和输出功率达到最大值154W，比常规曲折波导行波管的实验结果提高了59W。四、为了进一步提高曲折波导慢波结构的耦合阻抗，改善此类行波管的增益性能，提出了两种槽加载曲折波导慢波结构：单槽加载结构和双槽加载结构。在理论上，获得了它们的色散方程和耦合阻抗表达式，并建立了此类结构的注-波互作用线性理论，通过数值分析，研究了槽尺寸对高频特性和小信号增益特性的影响；采用粒子模拟的方法，研究了槽加载结构对大信号互作用强度的影响。主要结论为：槽加载提高了耦合阻抗和小信号增益峰值，同时增强了色散，减小了带宽。相比于常规结构，采用双槽加载结构的
8、曲折波导行波管可以在更短的互作用距离内达到饱和，功率峰值和增益峰值分别提高了53.6%和21.4%；行波管的增益带宽却减小了。在研制小型化大功率毫米波行波管方面，此类行波管具有很好的发展潜力。关键词：毫米波行波管，曲折波导及其变态结构，高频特性及线性理论，粒子模拟，实验研究 IABSTRACTABSTRACTMillimeter-wave Traveling Wave Tube (TWT), working in the frequency range between the microwave and infrared, has advatanges of wide absolute-ban
9、d, narrow wave-paket, ability of all-weather working and large output power. It is widely used in radar, communications, remote sensing, electronic countermeasures and plasma diagnostics. Therefore, it has importantly realistic significance for the study on the new type mm-wave traveling-wave amplif
10、iers. In this dissertation, based on the investigation of a Ka band folded-waveguide traveling-wave tube (FWTWT), we have made detailed theoretical, particle-in-cell (PIC) simulation and experimental study on several new types of FWTWT. Some important and valuable results which bring forth some new
11、ideas are accomplished and listed as the followings:1. The dimensions of slow-wave structure (SWS), attenuator and coupling structures are designed, and the energy exchange between the electronic beam and the microwave are investigated in a 3D nonlinear interaction model. A FWTWT is assembled for ex
12、periment test, in which a 95W saturated power is observed, and the output power and large signal gain of experiment test agree with the former PIC simulation results. The investigation reveals that: as one of the all-metal SWS, the folded waveguide slow-wave structure (FWSWS) could realize the beam-
13、wave synchronization in a relatively wide frequency band and have large power capacity, which implies the FWTWT is one of strongest candidates for a wideband high power mm-wave radiation sources. These results obtain in this work set a solid theoretical and experimental base for the following study.
14、2. In order to improve the bandwidth of FWTWT, the E-bend folded double-ridged waveguide TWT is investigated. The slow-wave characteristics including dispersion characteristics, normalized phase velocity and interaction impedance of this structure are investigated. The linear theory of beam-wave interaction is developed, and a 3D simulation model is built and t
