W波段高次模行波管基础理论及关键技术研究

W波段的大功率行波管研究，是当今微波电真空器件的一个热门方向和前沿课题。但随着频率的升高，电真空器件的尺寸急剧小型化，对加工和散热提出了前所未有的挑战。若采用高次模作为工作模式，可大大提高行波管的尺寸，降低加工难度，增大散热能力，提高输出功率。采用高次模作为行波管的工作模式，这是对传统行波管采用基模作为工作模式的一种全新挑战和概念颠覆。本项拟在W波段，研究行波管高次模工作的特性和机理，建立准确的理论和仿真模型，并最后实际设计出工作频率为100GHz、平均输出功率为1.2kW的高次模行波管。本项目旨在解决高次模与电子注的有效相互耦合，消除低次模及其他杂散模对工作模式的干扰以及防止自激振荡，针对高次模的特点合理选择最优散热结构等一系列关键技术问题。本项目的总体目标是通过理论分析和仿真优化，摸清高次模行波管工作的电特性和热特性，为研制W波段的高功率管提供新的理论和工程参考。

随着电子对抗技术以及战场信息化的发展，军用电子装备的工作频率不断提高。工作频段从微波逐步向毫米波、亚毫米波转移。其中W频段指75~110GHz的频率范围，属于3毫米波段，这一波段在高数据率通信、高分辨率雷达等中均有广泛的应用前景。考虑到效率、功率和散热等方面的原因，在W频段采用微波电真空器件，相比于固态器件具有无法比拟的优越性。W波段的大功率行波管研究，是当今微波电真空器件的一个热门方向和前沿课题。. 但随着频率的升高，W波段微波电真空器件的尺寸急剧小型化，对加工和散热是一种挑战。为了解决这一难题，提出了在行波管中，采用高次模作为工作模式的研究构想。本项研究了W波段行波管高次模工作的机理，包括电特性和热特性的分析，具体内容为三个方面：（1）慢波结构高次模特性研究；（2）多频互作用特性研究；（3）热稳定性分析。. 通过研究，本项创新性的寻找到金属翼片四脊加载的八边形阶梯膜片作为慢波结构，电子束通道为圆形孔，装配为直接夹持在双脊波导中。这种结构前六个模式同步工作点的频率分别为42.6GHz、64.2GHz、68.3GHz、100.5GHz、128.6GHz、198.4GHz。我们需要的100.5GHz对应第四模，在电子束通道上具有电场强度为1.05e11 V/m。与高次模的提出者美国学者C.L. Kory相比，C.L. Kory采用第三模，而我们采用第四模，我们利用了更高阶的模式，导致了结构尺寸在她的基础上增大了约30%左右。同时，我们工作模式的纵向电场强度比她的也高了很多，这将进一步增强电子束与高次模的相互作用强度。我们最终设计出的管子工作频率为100.5GHz，平均输出功率为1.25kW，电子效率为17.8%。已经突破了C.L. Kory创下的世界最高水平，平均输出功率和互作用效率得到了显著的提高。同时，管子是热稳定的。. 采用高次模作为行波管的工作模式，这是对传统行波管采用基模作为工作模式的一种全新挑战和概念颠覆，因此本项研究有很强的创新性。本课题有效解决了高次模工作的一系列关键技术问题。在具体研究中，采用了更高阶的工作模式，相比前人大大提高了行波管的横向尺寸，降低了加工难度，提高了散热能力，进而将功率水平推进到一个新的高度。我们最终设计出的管型，在毫米波大功率领域有重要应用前景，将在高速通信、高分辨率雷达等场合得到广泛应用。