论文部分内容阅读
随着科技的进步与发展,真空电子器件逐渐朝着高功率、高效率、宽频带、小型化等方向发展,全世界的科学家们正在不断探索提升真空电子器件的效率、功率和频带,超构材料则是近几年研究的一个突破口。超构材料是一种用人工方法构造的亚波长结构,具有自然材料所没有的电磁特性,它的出现给真空电子器件指明了新的发展方向。与传统真空电子器件相比,超构材料真空电子器件具备小型化、全金属、高功率、高效率、易加工等优势,在近几年里,超构材料速调管、超构材料返波振荡器等真空电子器件应运而生。本文的主要工作是将超构材料应用于真空电子放大器,最终设计出一种具有高效率、小型化的超构材料返波放大器。本文的主要工作如下:1.首先选用一种超构材料单元结构—互补电开口谐振环（CeSRR）进行周期排列形成CeSRRs阵列,该阵列在一定频率范围内具有负的有效介电常数;对于TM模,工作在截止频率以下的空金属圆波导具有负的有效磁导率特性;因此将CeSRRs阵列加载到空的金属圆波导中,构成了一种在工作频率范围2.1GHz-2.55GHz内具有双负特性的超构材料慢波结构。2.在设计的超构材料慢波结构的基础上,研究了信号输入输出结构—同轴电探针,最终设计了一种工作在S波段的单段超构材料返波放大器。使用电磁仿真软件CST对其进行传输特性仿真,在2.27GHz-2.60GHz频段内,S21基本稳定在-3dB以上,最大为-0.3dB,有效带宽约为330MHz。进一步,将两个等周期个数的单段超构材料返波放大器通过级联的方式构造成了超构材料级联返波放大器,当工作电压U=38kV、工作电流I=0.45A、输入功率为1.6W时,其输出功率为3.0kW,电子效率为16.89%,增益为31.6dB,3dB带宽约为11MHz。进一步,通过相速跳变法等方式对该结构进行优化,最终得到输出功率为5.1kW,电子效率为29.83%,增益为34.98dB,3dB带宽为10MHz的跳变周期超构材料级联返波放大器。3.超构材料级联返波放大器慢波结构的半径仅为20mm,约为传统S波段耦合腔行波管慢波结构半径的2/3,其纵向长度（410mm）与传统结构相当,因此其体积约为传统结构的4/9。其次,优化后的跳变周期超构材料级联返波放大器的电子效率为29.83%,高于传统S波段耦合腔行波管（约为14%-24%）及螺旋线行波管（10%-20%）的电子效率,因此该超构材料慢波结构具备小型化及高效率的特征。此外,超构材料返波放大器慢波结构为全金属结构,具有良好的散热性且易于加工。