220GHz带状注行波管多级降压收集极的研究

作     者：麦尔丹·吾拉木（Merdan Wulam） 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段兆云

授予年度：2021年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：太赫兹 行波管 降压收集极 热分析 

摘      要：行波管因其特有的宽频带和高增益特性,在众多微波电真空器件中应用最为广泛。太赫兹行波管具有频率高、体积小、频带宽、效率高、功率大等优点,可在军事、航空、通信、医学等领域发挥重要的作用,是国际上重点研究的技术之一。当工作在太赫兹波段,圆形电子注自身的局限性会对行波管效率和功率的进一步提高产生阻碍,带状注行波管便由此进入了研究者的视线。在太赫兹行波管工作时,电子在注波互作用中只会交出一小部分能量,电子效率很低,电子会携带大量能量进入收集极,使电子剩余能量以热损耗的方式消散,造成能量浪费的同时还会降低器件寿命。通过使用降压收集极回收电子的剩余能量,可以很好地解决上述问题,进而提高整管效率。本文主要是研究适用于220GHz带状注行波管的多级降压收集极,并对其进行热分析。主要工作与创新如下:1、分析了收集极入口处的电子注状态,进行了CST软件PIC求解器模块中慢波结构与Tracking求解器模块中收集极的联合仿真。在此基础上设计优化了一种单级降压收集极,在不考虑二次电子发射的情况下其收集效率为91.21%,并对该单级降压收集极进行了加工装配。2、在单级降压收集极的基础上,结合带状电子注的特性设计了一种矩形入口、椭圆形腔体的高效率三级降压收集极,在不考虑二次电子发射的情况下其收集效率为94.3%。对CST软件中的二次电子发射模型进行了研究,并使用福尔曼二次电子发射模型对设计的单级降压收集极和三级降压收集极进行了仿真,其收集效率分别为90.56%和93.3%。3、对降压收集极的级数与收集效率的关系进行了探索,并设计了四级降压收集极进行验证。为了突破收集极降压级数的限制,提出了一种具有偏转磁场的多级降压收集极。仿真结果表明该新型四级降压收集极的收集效率达到98.86%,且没有观测到电子返流现象。4、对设计的三级降压收集极进行了热分析,为了降低收集极的工作温度,增加了散热翅片。仿真结果表明在相同条件下安装有散热翅片的收集极的工作温度在最高点和最低点都降低了约100℃,散热效果得到了明显提升。其次,分析了散热翅片的参数对收集极温度的影响,并提出了一种翅片切割型散热结构。最后,对收集极进行了热应力仿真分析,收集极的最大热形变量在可接受范围内。