印制型毫米波微带曲折线行波管关键问题的研究

Printed microstrip meander line traveling wave tube (TWT) is a type of miniaturization TWT which shows great operation potential in millimeter wave and terahertz wave spectrum. It has preferably application prospects for the military electronic system, millimeter wave communication and so on. However, it is still in the exploration state whatever in our country or abroad. This project will accurately build up the theoretical basis of the microstrip meander line TWT, including the radio frequency characteristic theory and beam-wave interaction small signal theory. The loss characteristic and the thermal effects will be studied in this project. The charge accumulation effects of the stable operated TWT will be deeply analyzed, and the heat radiation and avoid charge accumulation methods will be also investigated to lay an engineering implementation foundation of the microstrip meander line TWT. Simultaneously, the novel microfabrication method will be applied on the 140GHz printed microstrip meander line slow wave system. Moreover, the experimental test is to verify the obtained theory and simulation results and to lay the theory and experiment foundations for the mass production and development of the TWT industry.

印制型微带曲折线行波管是一种有潜力工作于毫米波及太赫兹频段的小型化行波管，在军用电子系统及毫米波通信等方面都具有很好的应用前景。然而直到目前为止，国内外对于此类行波管的研究仍处于初步的探索阶段，尚有一些关键问题需要深入地研究。本项目将准确地建立起印制型微带曲折线行波管的理论基础，主要包括高频特性理论和注-波互作用小信号理论；研究微带曲折线行波管的损耗特性和热效应，深入分析微带曲折线行波管稳态工作时的电荷积累效应，探索此类行波管散热和避免电荷积累的方法，为微带曲折线行波管的工程实现奠定基础；同时利用新型微细加工方法开展140GHz印制型微带曲折线慢波结构的加工，并进行实验测试，验证理论和模拟结果的正确性，为印制型微带曲折线慢波结构的批量化生产和行波管行业的发展提供一定的理论指导和实验基础。

印制型微带曲折线慢波结构行波管作为一种有潜力工作在毫米波及太赫兹频率的行波管，在相控阵天线收发组件、电子对抗及毫米波通信方面具有广阔的应用前景。本项目立足于解决微带曲折线慢波结构应用于毫米波行波管时的关键问题，在微带曲折线慢波结构的理论分析、仿真设计和加工测试方面取得了一系列成果。在本基金项目的资助下，提出了适用于毫米波相控阵雷达收发组件的大功率可集成放大阵列，并模拟了Ka波段可集成2×2行波管放大器，在35GHz的中心工作频率输出功率大于2000W，3-dB带宽达到7GHz；针对性能优异的对称双V微带型慢波结构，研究了可能导致电荷积累效应的不同聚焦磁场、不同电压、不同电流和不同电子注发射俯仰角对电子注截获的影响，提出了有利于避免电荷积累效应的介质支撑悬置线微带型慢波结构，在Ka波段进行了模拟和设计，模拟结果显示在 27GHz-32GHz 频带范围内，S11参数低于-15dB，输出功率高于 28W，最大输出功率可达 72.5W，增益为21.6dB；设计了工作在D波段的V型和U型微带曲折线慢波结构及其耦合输出结构，输出功率大于100W，带宽大于7GHz；利用印制型薄膜电路工艺分别加工了V波段、W波段和D波段新型微带线慢波结构，利用高速铣床法分别加工了V波段、W波段和D波段微带-波导过渡耦合结构，利用微组装工艺对慢波结构和耦合结构进行组装并进行了实验测试，测试结果显示，在D波段，S11参数低于-13dB，S21参数高于-6.5dB，冷测结果与仿真结果吻合的很好，该项目的实施为微带曲折线行波管的发展奠定了理论和实验基础。在本基金项目的资助下，项目负责人以第一作者身份发表SCI收录期刊论文5篇，会议论文3篇。以共同作者身份发表SCI收录期刊论文1篇，培养硕士研究生3名。