在毫米波和更高频段,真空电子器件是一种具有不可替代价值的大功率辐射源,而行波管是其中轻质便携、功率适中的代表,被广泛应用于通信、雷达、电子对抗等领域,并发挥着重要作用。一直以来螺旋线和耦合腔行波管占据着主导地位,但是随着工作频率的不断提高,散热和加工等问题对传统慢波结构和行波管提出了严峻挑战。因此,寻求与更高频段相适应的新型慢波结构行波管是解决这一难题的关键途径。其中,折叠波导行波管展现了强大的竞争力。本论文以大功率毫米波折叠波导行波管为选题,从慢波结构的理论分析、设计方法、非线性模拟以及结构改进几个方面进行了深入的研究,主要内容有:1.折叠波导慢波结构的理论研究和设计方法。给出了色散特性、耦合阻抗和导体损耗的理论计算模型,尤其是改进了导体损耗的计算方法,提高了其精确性。从折叠波导慢波结构的色散特性出发讨论了设计过程中的物理问题,在此基础上发展了新的适用于大功率折叠波导行波管放大器的综合设计方法。新改进的方法可以适应高工作电压、高耦合阻抗的要求,而且快速、有效。通过具体设计对上述理论模型的精确性和设计方法的有效性进行了检验。2.采用一维非线性理论和三维粒子模拟研究了折叠波导行波管放大器的非线性性能。重点采用粒子模拟对包括衰减器在内的完整互作用电路的大信号性能进行了研究。加深了对大功率折叠波导行波管中注波互作用机制的理解。设计了Ka波段1kW大功率折叠波导行波管,采用三维粒子模拟对其性能进行了分析,并在此基础上开展了实验研究。3.从改善和控制色散特性的角度出发,提出了一种介质加载折叠波导慢波结构,理论分析了介质加载对色散特性、耦合阻抗以及线性增益的影响。研究表明:当介质厚度较小时(d/a<0.1),改变介电常数对耦合阻抗的影响很小,但却可以明显地降低相速,同时色散特性也更为平坦;线性理论分析进一步显示,对于设计好的慢波结构,采用介质厚度以及介电常数都较小的加载方式,则无需重新调整慢波结构,但却可以降低工作电压,和冷腔特性的分析是一致的。因此,介质加载折叠波导电路在低电压、小型化应用方面会有一定价值。4.提出了一种结构简单、设计灵活的太赫兹行波管互作用电路——翼片加载折叠波导慢波结构。理论分析了翼片尺寸对色散性能和耦合阻抗的影响,并结合仿真具体设计了工作频率220GHz的慢波结构参数。冷腔分析表明,新型结构在色散、耦合阻抗以及损耗方面具有良好的综合性能。采用PIC粒子模拟,对设计电路的大信号性能进行了检验。结果显示,新型结构具有高的互作用效率和宽频带放大的能力。
