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毫米波行波管作为一种重要的真空电子器件,具有频带宽,功率大以及体积小等优点,可广泛应用于微波通信、雷达、空间探测以及电子对抗等领域。作为行波管的核心部件,慢波结构在很大程度上决定了行波管的性能,因此对新型慢波结构的研究和探索具有十分重要的意义。两种传统的慢波结构—螺旋线和耦合腔虽然已经广泛应用于毫米波行波管,但功率容量和工作带宽之间的矛盾限制了它们的发展。曲折波导作为一种新型全金属慢波结构,很好地弥补了螺旋线和耦合腔的不足,具有功率容量大,带宽相对较宽的特点,成为近年来国内外研究的热点,在毫米波、亚毫米波以及太赫兹波段都具有广阔的应用前景。 本论文从W波段曲折波导行波管的设计和实验出发,重点研究了几种新型曲折类慢波结构。采用理论分析,软件模拟和实验测试相结合的方法,对这几种慢波结构进行了深入地研究。本论文的主要工作和创新点如下: 1.针对常规曲折波导慢波结构耦合阻抗较低的缺陷,利用新型脊加载曲折波导慢波结构设计了W波段连续波行波管,并进行了高频特性模拟和大信号互作用模拟。模拟结果显示,与常规曲折波导慢波结构相比,脊加载曲折波导慢波结构的耦合阻抗在频带内有20％左右的提高,行波管的输出功率提高了12.8％,同时,慢波线的饱和长度缩短了近50％。该研究结果为小型化大功率毫米波行波管的研制奠定了基础。 2.在上述理论分析和模拟结果的基础上,设计加工了W波段脊加载曲折波导行波管的各部件并进行了反射实验测试,测试结果显示,各部件和整管的电压驻波比均能够满足行波管的制管要求。在此基础上,突破了若干加工和装配的关键技术,设计加工了W波段脊加载曲折波导连续波行波管,并进行了实验测试。测试结果显示,在93.5~95GHz的工作频带内,行波管的连续波输出功率大于25W,该指标达到了国内先进水平。 3.针对脊加载曲折波导慢波结构反射损耗较大的缺陷,提出了渐变脊加载曲折波导慢波结构。模拟结果显示,与脊加载曲折波导慢波结构相比,40个周期的渐变脊加载曲折波导慢波结构的S11参数降低了2dB,S21参数增大了0.4dB。在此基础上,设计了W波段和140GHz渐变脊加载曲折波导行波管,并完成了大信号互作用模拟。结果表明,渐变脊加载曲折波导行波管能够在一定程度上减小输出功率的波动,从而提高行波管工作的稳定性。 4.基于曲折波导慢波结构电场分布的特点,深入研究了加载带状电子注的曲折波导行波管,并将椭圆形电子注应用于曲折波导行波管。在此基础上,设计了加载椭圆形带状电子注的W波段曲折波导行波管,并完成了大信号互作用模拟。模拟结果显示,椭圆形带状电子注能够充分地利用曲折波导慢波结构的纵向电场,在电流密度不变的条件下提高行波管的输入功率,有利于行波管的输出功率和电子效率的提高。而在相同的电子注电流下,椭圆形带状电子注能够有效地降低行波管的电流密度,从而降低空间电荷场。 5.针对曲折波导慢波结构的电子注通道在较高频段尺寸小,加工困难等问题,结合对称双 V微带型慢波结构的结构特点,提出了具有天然带状电子注通道的曲折框慢波结构。高频特性模拟结果显示,与对称双 V微带型慢波结构相比,曲折框慢波结构的平均耦合阻抗在W波段和140GHz频段分别提高了25％和20％。在此基础上,设计完成了W波段和140GHz曲折框行波管。大信号互作用模拟结果表明,与对称双V微带型行波管相比,曲折框行波管的输出功率和电子效率在W波段和140GHz频段均有大幅度的提高,同时保持了宽频带的优点。该研究结果为毫米波宽带大功率行波管的研究奠定了基础。