140GHz扩展互作用放大器仿真研究

作     者：陈冬瑞 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁学松

授予年度：2022年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：毫米波 π模 扩展互作用放大器 宽带 

摘      要：扩展互作用放大器作为一种扩展互作用器件,结合了速调管和行波管的思想,具有结构紧凑、体积小、高输出功率的特点,但其各个腔体依然是窄带的谐振腔,所以带宽优势并不明显。本文的基本工作主要围绕对140 GHz扩展互作用放大器的带宽拓展展开,还设计了电子枪以及产生单向均匀磁场的永磁聚焦系统。本文的具体内容如下:首先采用不等宽槽扩展互作用腔体并利用其π模的优势对140 GHz扩展互作用放大器带宽的拓展进行了初步尝试。在分析了不等宽槽扩展互作用腔体的色散特性、同步条件以及其结构参数对高频特性的影响之后,构建了一个四腔5间隙的不等宽槽扩展互作用放大器的高频结构。通过对该高频结构进行仿真测试,并分析了输出腔与输入腔的频率差对最大输出功率的影响,在工作电压22 k V、电流0.3A、输入功率为31.25 m W的条件下,得到了537 W的最大输出功率,对应的电子效率为8.13%,增益为42.35 d B,整个高频结构的3 d B带宽为500 MHz,相对带宽0.35%。之后引入了行波输入和行波输出,采用折叠波导慢波结构代替了传统扩展互作用放大器高频结构中的输入、输出谐振腔,解决了传输带宽对扩展互作用放大器带宽的限制,同时利用增加中间腔的个数来提高群聚带宽。用不等宽槽扩展互作用腔体作为中间腔体,分别构建了两个中间腔和三个中间腔的宽带扩展互作用放大器高频结构。对两个中间腔的宽带扩展互作用放大器高频结构进行仿真测试,在工作电压21.5 k V、电流0.3 A、输入功率为5 m W的条件下得到了420 W的最大输出功率,对应的电子效率为6.5%,增益为49.2 d B,整个高频结构的3 d B带宽为800 MHz,相对带宽0.57%。保持工作电压、电流以及输入功率相同,对三个中间腔的宽带扩展互作用放大器高频结构进行仿真测试得到了351 W的最大输出功率,1.3 GHz的3 d B带宽,相对带宽0.92%,最大输出功率处对应的电子效率为5.4%,增益为48.4 d B。基于前面的扩展互作用放大器高频结构,设计了工作电流为0.3 A,工作电压分别为22 k V和21.5 k V的两个电子枪,球面阴极的发射面面积为1.09 mm。针对该电子枪设计了单向永磁聚焦系统对其进行磁聚焦,在纵向磁场0.5 T的条件下,电子注的注腰面积压缩到0.02 mm,压缩比为54。