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[硕士论文] 林恩
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着空天技术的发展,卫星小型化已经成为当代卫星的重要趋势。在小型化过程中,推进系统是设计的关键点。基于表面等离子体技术的光推进,能够为皮纳卫星提供卫星所需的非常小的力来保持姿态稳定、定向以及轨道修正。因其质量轻,零功耗,制造成本低等优势,成为国内外研究的热点。
  本论文由以下几个部分组成:
  首先介绍了光推进器的研究背景,意义。从光能对粒子作用力的角度出发,引出本文要研究的基于表面等离子体的光推进器,阐述了目前该推进器研究现状、存在问题以及应用前景。其次描述了基于表面等离子体的光推进器的基本原理,对比分析两种不同纳米结构(等腰梯形结构,阶梯梯形结构)光场能量耦合强弱,模拟二者的场梯度分布情况,并通过仿真得到结构尺寸,狭缝宽度的变化与光场耦合增强的关系。
  接着从理论推导、公式计算角度给出设计得到的光推进纳米结构阵列的两个重要参数,比冲和推力。并和发展比较成熟的电推进器和化学推进器做了对比,说明光推进器具有零功耗、轻品质、小体积、高比冲等优点,但同时也指出光推进器实现技术难度大,推力比较小,且仍处于方案讨论和原理试验阶段。
  最后详细的介绍了光推进纳米阵列结构的制备工艺,制作出了目前为止尺寸最小的光推进阵列结构,对该推进器阵列结构的暗场能量分布、光耦合特性做了表征。并给出光推进纳米结构阵列样品的整体实验测试方案。最后对本论文的主要工作做了小结,针对光推进器研究过程中出现的问题展望了纳米等离子体推进器课题的下一步研究工作。
[硕士论文] 王重阳
等离子体物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:科学研究中,当面对一个复杂行为的物理系统时,在通过理论或实验手段探究系统物理行为之外,通过计算机利用数值模拟方法来模拟计算复杂的物理问题,逐渐成为研究和解决这类问题的有效方法。自20世纪70年代以来,计算机技术以及粒子模拟方法的日益成熟,使得在面对理论或者实验难以解决的物理问题时,计算机模拟发挥越来越重要的作用。尤其是在缩短科研周期、减少验证性实验、降低经费开销等方面,粒子模拟方法贡献巨大。在对电真空器件的模拟研究中,常需要做出有限的封闭的计算空间来模拟器件的腔体结构,这就要求考虑各种各样的边界条件。其中,吸收边界使得电磁波向外传播时被吸收而无反射,在模拟过程中扮演了重要角色。因此,在具有自主知识产权的电磁粒子模拟软件CHIPIC中实现吸收边界模块就具有很重要的现实意义。本文主要工作如下:
  首先,对粒子模拟软件CHIPIC做了简单介绍,并针对其吸收边界算法进行了理论上的分析。根据程序流程图在三维建模平台上实现吸收边界模块,并建立电偶极子、磁绝缘线振荡器两个实例对吸收边界模块进行验证,最后的模拟结果表明了吸收边界模块的正确性。
  其次,根据对高功率电真空器件的研究模拟需要,改善基于中心差分的吸收边界算法,推导吸收边界算法在时偏算法、HIGH-Q算法下吸收边界区域中的场更新迭代公式,并在CHIPIC软件中实现。最后模拟计算返波管模型,计算结果与中心差分算法下的仿真数据相对比,结果表明CHIPIC软件吸收边界模块在这两种算法具有良好的实用性。
  最后,详细研究了在粒子入射到吸收边界中产生的回流现象,从数值计算模拟的网格层面出发,得出回流现象的原因是由于在算法上对粒子和电磁场的差别性处理,导致粒子所带的电荷在为后一层网格处堆积产生反向场,最终引发了回流现象。为解决这一问题,根据电流连续性方程,对粒子进入吸收边界后的迭代方程进行推导,确定电导率参数,对吸收边界算法进行了修正。采用修正的吸收边界模块,建立二极管、140GHz回旋管等实例进行模拟验证,与MAGIC的对比结果表明该方法的实用性。
[博士论文] 杨有维
物理电子学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:太赫兹科学技术具有重大的应用前景,是当今科学研究领域的重大热点。而太赫兹源又是太赫兹科学技术研究的关键,在众多的太赫兹源中,电子回旋脉塞具有高功率、高效率的特点,是一种重要的太赫兹源。目前在国际上,美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家在电子回旋脉塞的研究方面理论和技术都较为成熟,而我国与之相比还有比较大的差距。
  回旋行波管作为一种特殊的电子回旋脉塞原理器件,在高功率雷达、微波毫米波通讯、精确武器制导、粒子加速器等领域具有广阔的应用潜力。但是,回旋行波管很容易受到各种不稳定性寄生振荡的干扰,故相对于回旋振荡管和回旋速调管而言,回旋行波管的发展相对滞后。特别是当工作频率进一步提高至太赫兹频段时,往往需要采用更高阶的模式来维持回旋行波管的功率容量,但是工作在高阶模式也意味着模式竞争更为严重。因此,能够有效抑制寄生振荡的高频结构一直都是回旋行波管研究的重要方向之一。
  从回旋行波管的物理本质出发,本文总结了回旋行波管设计中的关键问题和回旋行波管高频结构的发展。采用了具有模式选择特性的高频结构,即准光波导结构,并研究了其场分布及衍射损耗的特点,分析了其中比较特殊的高频结构,即共焦波导结构,并将其色散关系与圆波导进行了对比,阐述了准光波导模式密度较圆波导更稀疏的特点。
  随后,本文基于单粒子理论建立了准光回旋行波管的线性理论,获得了其初步的工作参数,计算得到了其线性增益及带宽。介绍了回旋行波管中的不稳定性,包括绝对不稳定性、回旋返波振荡、反射振荡以及起始损耗等物理概念。详细研究了准光回旋行波管中主要竞争模式的返波振荡,计算了准光回旋行波管中可能出现的起振电流,并与圆波导的情况进行了对比。结果表明:由于准光波导衍射损耗的存在,其模式密度较圆波导稀疏,故模式竞争较圆波导得到很大缓解;与此同时,准光波导回旋行波管相关模式的起振电流较圆波导中有关模式高的多,这意味着,相较于传统的圆波导回旋行波管,准光回旋行波管具有更大的稳定工作在高阶模式的潜力,从而大大提高了准光回旋行波管的功率容量。
  之后,本文中推导了直角坐标系中的非线性注波互作用理论,包括具有相对论效应的电子运动方程和高频场方程。推导的方程为稳态多模非线性方程组,并根据具体的互作用模拟对其进行数值处理。在本文的数值计算中,我们仅采用了单个模式,结合具体的边界条件、初始条件并考虑一定的速度零散,编制了0.34THz准光回旋行波管的互作用程序。在注波互作用的数值计算中,我们考虑了准光波导中的衍射损耗和欧姆损耗,并采用了能量守恒定律验证数值计算的准确性。针对准光波导的特点,探讨了采用特殊电子枪的可能性,并将之与传统电子枪的数值计算结果进行了对比,结果显示采用扇形电子枪具有提高效率、缩短互作用长度等特点。
  最后,鉴于现有的实验条件,对0.17THz准光回旋行波管进行了理论和仿真研究,仿真研究包括输入耦合器、输出耦合器以及扇形电子枪,探讨发射带的变化对电子枪性能的影响。仿真结果表明,0.17THz准光回旋行波管的输入耦合器、输出耦合器设计均具有较好的工作性能。而在电子枪的仿真研究中,发现发射带的变化对电子枪工作性能的影响非常小,扇形电子枪在准光回旋行波管的设计中具有一定的实用潜力。
[博士论文] 舒国响
物理电子学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:毫米波技术在5G通信、安检成像、雷达探测、电子对抗以及材料检测等军民领域具有巨大的应用前景。毫米波放大器/振荡器是毫米波技术的重要组成部分,具有重大的研究价值。作为毫米波源的解决方案之一,毫米波真空电子器件近年来获得了较为广泛的关注。国内外研究人员在毫米波低频段(30-100GHz)对真空电子器件展开了深入的研究,取得了较大的进展,初步具备了一些比较成熟的解决方案。为了进一步提高工作在毫米波低频段真空电子器件的整管性能,需要对一些新型的真空电子器件展开深入研究,比如带状注器件。在毫米波高频段(100-300GHz),毫米波源仍然处于探索阶段,大功率小型化毫米波源目前比较匮乏,需要世界各国科研工作者的努力探索。基于真空电子器件在毫米波低频段和高频段的研究现状,本论文做了以下两个方面的工作:(1)在毫米波低频段,对Q波段(30-50GHz)带状注行波管的高频系统进行了深入研究,致力于整管性能的提升,以获取大功率紧凑型的毫米波放大器。(2)在毫米波高频段,对0.2THz的带状注扩展互作用振荡管进行了研究,提出利用赝火花带状电子注进行驱动,致力于为大功率小型化的毫米波太赫兹振荡源提供可能的解决方案。
  和传统圆形注行波管相比,带状注行波管具有大功率输出的特点;和回旋行波管相比,带状注行波管具有小型化的优点。因此,带状注行波管是一个具有巨大发展潜力的毫米波放大器。然而带状注行波管的研制目前尚未成熟,存在诸多的研制挑战和困难。对于带状注行波管的研究,本论文主要集中在高频系统方面,由本论文的第2-4章构成。第2章对带状注行波管的输入输出结构进行了研究,为带状注行波管提出了四种新型的输入输出耦合器:(1)L形分支波导耦合器及其变形结构;(2)Y形分支波导耦合器及其变形结构;(3)多分支波导耦合器;(4)单分支波导耦合器。以上结构主要是通过以下两种创新思路获得的:(a)将其它领域广泛应用的耦合器引入到带状注行波管中;(b)在传统结构的基础上,通过引入反射腔、对称谐振腔以及介质吸波材料等方式进行性能的改进。利用理论分析、模拟仿真和毫米波冷测等手段对以上几种结构进行了分析。和发表文献中的耦合器相比,以上几种耦合器不仅在电性能上得到了较大提升,比如超宽频带,而且在结构性能方面也得到了很大提高,比如大的电子注通道以及紧凑的结构。所提出的几种输入输出耦合器均能很好地用于带状注行波管的注波分离/汇合。
  第3章对带状注行波管慢波结构的带宽提升、效率提高以及稳定性进行了专题研究。对慢波结构的工作特性进行了深入的理论分析。提出采用双模工作的思路来提升工作带宽。PIC模拟结果表明:双模工作将工作带宽由9GHz扩展至15GHz。对高频系统进行了冷测实验,模拟结果和实验结果在趋势上吻合。对整管进行了热测实验,在两个模式对应的频点上均测到了输出功率,证实了双模工作的可行性。在传统交错栅慢波结构的基础上,提出了电子注通道曲线轮廓的改进结构。PIC模拟结果表明:输出功率、增益和效率分别提高了1kW、3dB和2%。另外,还对提升效率和增益的其它方法进行了研究,包括窄带高效和相位重匹配等方法。研究表明:这几种方法均能够很好地提高整管的效率和增益。对注波互作用的反射振荡和返波振荡进行了研究,并提出了相应的振荡抑制方案。提出了一种新型的介质衰减器,该衰减器能够有效抑制振荡的同时也大大降低了工程实现难度。
  低损介质材料,比如氧化铍、Al2O3陶瓷和蓝宝石,被广泛应用于带状注行波管的高频系统中。介质材料复介电常数的精确测量对于带状注行波管高频系统的设计具有很好的指导意义。在介质材料的测试中,低损介质材料的测试难度非常大,具有重大的研究价值。本论文研制了一套低损材料准光腔复介电常数测试系统。传统准光腔复介电常数测试系统,通常利用双孔耦合测传输的方法获取S21曲线。本论文提出利用单孔耦合测反射的方法获取S11曲线,从而简化了准光腔的耦合结构,利于加工和装配。为了验证该方案的可行性,对准光腔进行了深入的理论分析以及模拟仿真,设计了一个W波段的准光腔。基于研制的准光腔,搭建了一套复介电常数测试系统,对蓝宝石窗片材料进行了测试。本文测试结果和发表文献测试结果相吻合。
  对于0.2THz带状注扩展互作用振荡管的研究,主要是提出了一种新的创新思路,并对该思路进行了初步的探索研究。当工作频率提升至毫米波高频段乃至太赫兹波段时,电子注电流小、铜损大、加工装配难度大、电子注聚焦难度大等一系列问题将会变得更加严重。为了减小这些问题所带来的不利影响,本学位论文提出结合等离子体阴极电子枪(超高电流密度、离子通道聚焦)、带状电子注(大的电子注面积)以及扩展互作用振荡管(单位长度增益很大、注波互作用长度短、结构紧凑)的各自优势,形成优势互补,以期获得一个大功率小型化的毫米波太赫兹脉冲源。为了验证这个构思,本学位论文做了以下几个工作:(1)对等离子体阴极电子枪进行了实验研究,并对赝火花带状电子注的特性进行了初步研究;(2)优化设计了一个高频系统,并进行了加工和冷测,测试结果在趋势上和模拟结果基本吻合;(3)对整管进行了装配以及初步的热测实验,在热测实验时探测到了毫米波信号。
[硕士论文] 霍泽娟
无机化学 兰州交通大学 2017(学位年度)
摘要:近年来有机光电探测(PD)器具有柔性、低功率、大面积探测、响应速度快、可室温下进行探测工作等优点,已成为科学家研究的热点。异靛蓝在聚合物中是常用的受体单元,将异靛蓝中的苯环用噻吩取代得噻吩-异靛蓝,该分子中噻吩的S原子与内酰胺基中羰基的O原子通过非键相互作用可提高单体的共面性使光谱红移和电子迁移率提高。因此,本论文设计和合成一系列窄带隙噻吩-异靛蓝基的聚合物和有机小分子,有利于制备出宽光谱响应高灵敏度的光探测器。
  本论文第二章我们通过Stille偶联反应得到六种噻吩-异靛蓝基的聚合物。(1)聚合物PTIIG-T(光学带隙(Eg)=0.91 eV)、PTIIG-TT(Eg=0.92 eV)、PTIIG-DT(Eg=1.00 eV)、PTIIG-DT24(Eg=1.06 eV)、PTIIG-BDT(Eg=1.01 eV)和PTIIG-IDT(Eg=1.11 eV)的光谱响应范围分别为300~1360、300~1300、300~1100、300~1100、300~1200和300~1100nm。(2) PTIIG-TT/PC61BM在零偏压下,以PFN和CdS做阴极传输层测得暗电流密度分别为5.0×10-9和1.3×10-9 A/cm2,当活性层为PTIIG-TT/PC61BM(1∶1),PFN(CdS)做阴极传输层在波长800 nm处EQE为1.6(1.0)%,探测率为2.6×1011(3.1×1011) Jones。PTIIG-DT/PC61BM在零偏压下,暗电流密度为2.4×10-8 A/cm2,在波长800 nm处EQE为9.6%,探测率为7.9×1011 Jones。PTIIG-DT24/PC61BM在零偏压下,以PFN和CdS做阴极传输层暗电流密度分别为4.1×10-8和1.3×10-8 A/cm2,当活性层为PTIIG-DT24/PC61BM(1∶2),PFN(CdS)做阴极传输层在波长800nm处EQE为0.5(0.1)%,探测率为2.7×1010(9.6×109) Jones。PTIIG-BDT/PC61BM在零偏压下,暗电流密度为3.1×10-9 A/cm2,在波长800nm处EQE为0.8%,探测率为1.9×1011 Jones。
  论文第三章我们通过Suzuki反应合成两种溶解性较好的有机小分子TIIG-2Py和TIIG-2PCN。(1)化合物TIIG-2Py(Eg=1.57 eV)和TIIG-2PCN(Eg=1.62 eV)的光谱响应范围均为300~800 nm;(2)当光学活性层为TIIG-2Py/PC61BM且以PFN做阴极传输层测试光伏性能时,器件的PCE最高为1.88%,以CdS做阴极传输层时测得PCE为1.39%。(3) TIIG-2Py/PC61BM和TIIG-2PCN/PC61BM在零偏压下,以PFN(CdS)做阴极传输层暗电流密度分别为9.1×10-9(2.5×10-8)和2.1×10-8(1.4×10-9) A/cm2。当活性层为PTIIG-2Py/PC61BM(1∶1),PFN(CdS)做阴极传输层在波长600nm处EQE为33.0(28.4)%,探测率为3.0×1012(1.5×1012) Jones,当活性层为PTIIG-2PCN/PC61BM(1∶2),PFN(CdS)做阴极传输层在波长600nm处EQE为4.6(4.9)%,探测率为2.7×1011(1.1×1012) Jones。
  论文第四章我们通过Stille偶联反应合成2种溶解性较好的三元共聚物PTIIG-T-ID和PTIIG-IDT-ID。(1)聚合物PTIIG-T-ID(Eg=0.95 eV)和PTIIG-IDT-ID(Eg=1.11 eV)的光谱响应范围分别为300~1300和300~1100 nm;(2)材料PTIIG-IDT-ID/PC61BM在室温和零偏压下,暗电流密度分别为1.4×10-9 A/cm2,在波长800 nm处EQE为0.8%,探测率为2.5×1011 Jones。
[硕士论文] 赵景川
材料化学工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:白光LED由于具有能耗低绿色环保等优势被称为第四代光源,其在照明领域的持续发展吸引了广大科研工作者,并且在市场上的潜力不断扩大。在LED用三基色荧光粉中,红色荧光粉用量最多,但是红色荧光粉的稳定性以及效率等方面亟需改善,所以,研究高性能红色荧光粉,是目前白光LED荧光粉研究中的重点。
  在本文中,我们采用溶胶-凝胶法首先制备了ZnTiO3基质和Zn1-xTiO3∶xEu3+荧光粉,通过X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等分析研究了样品的物相结构和微观形貌。结果表明,ZnTiO3基质和Zn1-xTiO3∶xEu3+样品都是偏六方相结构。荧光光谱表明Zn1-xTiO3∶xEu3+荧光粉的激发峰峰位分别在393nm和464nm处,发射峰在615nm处。研究表明,当Eu3+掺杂浓度为2 mol%,煅烧温度为700℃,保温时间为4h时,样品的发光强度最大。样品Zn0.98TiO3∶0.02Eu3+的色坐标为(x=0.673,y=0.327),十分接近于国际照明协会NTSC规定的纯红色坐标(x=0.670,y=0.330),具有较高的色纯度。
  通过在Zn0.98TiO3∶0.02Eu3+荧光粉中添加不同浓度的碱金属离子A+(A=Li、Na、K),研究其荧光增强效应。荧光光谱表明添加碱金属离子Li+、Na+、K+的掺杂对ZnTiO3∶Eu3+荧光粉的发光强度均有不同程度的提高,其中添加Li+对Zn0.98TiO3∶0.02Eu3+荧光粉的发光强度提高最为明显,约是没掺杂碱金属离子样品发光强度的2.14倍。Na+和K+的掺杂分别提高了1.55倍和1.45倍。
  采用溶胶-凝胶法制备了Sr1-xTiO3∶ xEu3+以及Sr1-xTiO3∶ xEu3+,yA+荧光粉。XRD和TEM图表明样品SrTiO3基质和Sr1-xTiO3∶xEu3+都呈现立方相结构。激发光谱表明Sr1-xTiO3∶xEu3+荧光粉在465nm波长的光激发下,可以发射出峰值在580nm,591nm和617nm波长的光,在Eu3+和碱金属离子掺杂浓度为4 mol%时,样品的发光效果最好。其中K+的引入对SrTiO3∶ Eu3+样品发光性能提高幅度最大。
  用第一性原理模拟计算了Eu3+掺杂、和Eu3+/Li+共掺杂的ZnTiO3和SrTiO3电子结构及光学性质.计算结果表明:Eu3+掺杂和Eu3+/Li+共掺杂的带隙有所降低,这大概是因为有一些Eu4f的杂质态出现在禁带。Eu3+/Li+共掺杂的协同效应增强了各电子之间的耦合作用,促进了体系间能量的传递,从而增强发光强度。另外,光学吸收谱表明了Eu3+/Li+共掺杂的ZnTiO3和SrTiO3出现了明显的光吸收红移现象,并在低能区显示出更强的光吸收能力,这些结果均表明Eu3+/Li+共掺杂的协同效应能很好的增强在可见光区域的发光强度,与实验结果相吻合。
[硕士论文] 高尚政
电子科学与技术;物理电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:行波管(TWT,Traveling Wave Tube)是一种重要的微波真空功率放大器件,具有宽带宽、高增益、大功率和长寿命等特点,广泛应用于雷达、通讯、导航系统和电子对抗等国防工程和军用电子装备中,被称为武器装备的“心脏”。行波管噪声特性是行波管在卫星通信、雷达通信等高通信质量要求场合的重要考虑因素。随着计算机仿真计算能力的提高,通过仿真来进行行波管结构和功能设计已成为重要的行波管设计手段。目前但仍未见有具备噪声性能仿真能力的商用软件。
  针对上述问题,本文提出并建立了行波管电子枪噪声特性时域仿真模型、研究了基于仿真的电子枪噪声性能分析方法及其应用,主要内容包括:
  在课题组已有的非时域电子枪噪声性能仿真软件模块(EGunNoiseSim1.0)的基础上,提出并建立了具有时域仿真能力的电子枪区噪声性能仿真软件模块(EGunNoiseSim2.0),其由增加了发射电子初始角速度随机性仿真能力的噪声源模块、电子枪建模模块、初始电磁场求解模块、基于时域有限差分法的电磁场更新模块、边界处理模块、粒子轨迹求解模块和空间电流密度场更新模块组成;编写了电子枪噪声参数求解模块,可基于仿真结果对噪声电流、电压的噪声功率谱密度、噪声功率及噪声波阻抗等噪声特性参数进行求解,以方便对电子枪噪声特性的研究。
  使用EGunNoiseSim2.0对前人文献中给出的电子枪实例进行了电子注轨迹仿真,并与文献中给出的仿真与试验结果及CST仿真结果进行了对比,初步验证了本文编写程序的功能和正确性。
  此外,使用本文编写的程序初步探究了电子枪工作参数和电子枪结构参数对电子枪噪声性能的影响。仿真分析表明:噪声电流功率/功率谱密度随着温度的增大而增大,噪声电压功率/功率谱密度随温度的变化关系不明显;噪声电压功率/功率谱密度随着聚焦角度的增大而增大,噪声电流功率/功率谱密度随着聚焦极角度的增大先减小后增大;噪声电压功率/功率谱密度和噪声电流功率/功率谱密度都随阴极曲率半径的增大先减小后增大;噪声电流功率/功率谱密度随着阳极孔径半径的增大而增大;噪声电压功率/功率谱密度随着阳极孔径半径的增大而减小。
  本文工作为行波管电子枪噪声性能分析与设计提供了一种比较有效的仿真分析手段。
[硕士论文] 叶冲
材料工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:在自然界和工业产品中,经常碰到各种碟状胶体悬浮液体系,例如粘土、沥青、红细胞以及碟状液晶太阳能电池。他们在自然界中含量丰富,并且在工业上已经得到广泛地应用。作为软物质,碟状胶体对外界的影响非常敏感,施加一点电场或者磁场就能改变其物理化学性质。本研究以厚度均一,直径大小可控的单层磷酸锆(ZrP)碟片为模板碟状胶体体系,研究外加磁场对碟状胶体产生的影响。对于较大粒径的(500nm~2000nm)磷酸锆晶体,其制备方法已经非常成熟,制备出来的晶体形貌规整粒径可控。但对于小粒径(<500nm)的磷酸锆晶体,目前使用的回流法还存在一定缺陷,用微波辅助加热对小粒径的晶体制备进行了研究。具体工作如下:
  (1)研究了微波水热法制备磷酸锆晶体。通过控制反应物配比、反应温度以及反应时间,制备了不同形貌和粒径大小的颗粒,利用红外、XRD、SEM、DLS以及 TEM对其进行表征,获得了适宜的反应物配比和温度,并通过温度改变其粒径大小。将制备的颗粒与传统的回流法以及水热法产物进行了比较。得出的结论如下:使用微波水热法制备小粒径(<500nm)的磷酸锆晶体,温度200℃时氧氯化锆为2g与20mL磷酸(浓度15M)反应制备的磷酸锆形貌最好。在反应时间在3~12分钟之间,反应时间增长,获得的磷酸锆晶体粒径变大,时间超过12min以后,粒径变化不明显。与其他的制备方法相比较,微波水热法反应时间更短,且相同粒径大小下制备成的晶体的形貌规则程度以及结晶度要稍好于回流法。
  (2)利用 TBAOH将磷酸锆晶体剥离成单层磷酸锆碟状胶体液晶,研究了外磁场对碟状液晶的影响。结果过表明:外加磁场能使磷酸锆碟状液晶向列相(N相)由多畴结构变为单畴结构,干涉色由多种颜色变为一种均一的颜色。通过对参照Michel-Levy表,能够知道 N相磁场下干涉色的相位差,并进一步计算出双折射率。选用体积分数为2.8%时悬浮液作为研究模板,测出的双折射率为绝对值为0.00110±0.00005。通过理论计算绘制出,双折射率与np–n(np、n分别表示溶质与溶剂的折射率)的函数关系式。结果表明,实验结果与计算相吻合。N相由多畴结构变为单畴结构,是因为磁场改变了磷酸锆碟片的取向,这是因为碟片具有磁各向异性(Δχ)。通过实验发现磷酸锆碟片对磁场具有正响应(Δχ>0),在磁场中碟片法线方向平行于磁场方向。通过进一步计算,得出磷酸锆碟片的磁各向异性Δχ≈1.23±0.25×10-20J/T2。盐的加入可以抑制碟片间的电荷相互作用,使其重力场下的浓度梯度更加明显。和理论预测一样,磷酸锆单片悬浮液N相中可以形成 Michel-Levy色带,但与预测不同之处发现除了重力以外还需要额外的磁场。
[硕士论文] 王铁羊
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:真空电子器件在通讯领域有着不可取代的地位,而其中表现最为突出,应用最为广泛的当属行波管。人们通常会基于行波管结构中最能体现性能的部分——慢波结构来对行波管进行分类。在拥有宽频带特点的螺旋线行波管和拥有大功率容量特点的耦合腔行波管的基础上,研究人员提出了综合这两种行波管的特性的曲折波导行波管。经过多年的研究之后,人们对曲折波导行波管的研制过程中所涉及的设计、加工、测试等方面的认识日益深入,国内外各研究团队也已形成了较为成熟的研制流程。但由于对曲折波导行波管及对其进行加载之后的新型曲折波导类行波管注波互作用的研究仍在较为初级的阶段,研究人员在设计新的曲折波导类行波管时通常需要使用具有通用性的粒子模拟软件作为参照。而由于运算耗时较长,使用这类软件不利于缩短行波管的设计周期。因此,本文提出一种基于耦合腔级联模型的曲折波导类行波管互作用的非线性分析方法,在大幅缩短曲折波导类行波管设计周期的同时,为今后对曲折波导类行波管进行更为深入的理论研究奠定基础,也为其它新型行波管的理论提供一定的参考。
  本文研究了曲折波导类慢波结构的高频特性分析方法以及互作用分析方法,并将由此获得的程序计算结果与实验测试结果进行了对比,主要工作为以下几个部分:
  1.将每个电周期的曲折波导慢波结构划分为多个拥有不同传输特性的微波元件,采用等效电路模型求解曲折波导类慢波结构的高频特性。
  2.以耦合腔级联模型为基础,通过传输矩阵、相互之间存在一定耦合程度的电子运动方程以及场方程,获得一种曲折波导类行波管互作用的非线性分析方法。
  3.利用上述分析方法编写出包含界面的互作用非线性分析程序,并加入了保存计算结果、读取历史计算结果等实用功能。
  4.使用本互作用非线性分析程序对两支已进行过实验测试的曲折波导行波管进行分析,将分析计算结果与实验测试结果进行对比。对比表明该程序在保证运算速度的同时拥有较高的计算精度,验证了本互作用非线性分析方法的可行性。
[硕士论文] 李鸿
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:行波管是用来放大微波信号的真空电子管,在微波真空电子器件家族中有举足轻重的地位。在工程应用中,行波管的稳定性和可靠性十分重要,因此需要精确的行波管特性参数。由于行波管结构复杂、参数较多,在行波管的测试过程中,传统的人工测量效率低下、误差较大,课题组旨在实现行波管测试系统的自动化并已取得了一定的成果。
  本文的内容是在课题组研究的行波管自动测试系统的基础上,引入近年兴起的移动互联网技术,设计实现一款能远程监控行波管自动测试系统的 Android客户端,使得测量人员可以依靠移动端实现对行波管的参数测试并查看测量数据。
  本文首先介绍了行波管自动测试的发展现状,分析了在行波管自动测试系统中引入移动互联网技术的可行性和优势,并选取了Android系统作为开发平台。然后介绍了 Android平台的特性、架构、开发框架,以及用于加强通信安全的数据加密算法。
  然后对客户端的功能和性能进行了详细的需求分析,确定了客户端应具有系统登录、个人信息、立即测量、测量历史、仪器信息等功能模块,并且软件应具有鲁棒性、安全性、即时性。在需求分析的基础上设计了客户端的完整架构,首先使用MVC模式将系统架构的各个部分抽象出来,以方便代码的编写以及后期维护。然后以用例图的形式描述了客户端操作的逻辑流程,设计了Android系统上实现本地存储的SQLite数据库表格式,使用TCP协议、多线程技术、心跳机制完成网络连接,并定义了Android客户端与服务器信息交互的数据包格式。在数据加密机制的设计上,分析了非对称算法与对称算法的优势与不足,在结合使用消息摘要算法的基础上设计了同时使用两种算法的数据加密机制,并在具体的实现上分别选择了使用RSA、TEA、MD5三种算法。最后在真机上对客户端进行功能和性能的测试,经测试表明客户端能正常运行。
[硕士论文] 刘贤娇
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:速调管是一种重要的电真空放大器件,经历了80余年的发展,目前相关技术已较为成熟,然而非工作模式的干扰问题仍是制约其性能进一步提升的一大因素。
  光子晶体(Photonic Crystal)是一种具有周期性的人工晶体结构。光子带隙(简称PBG)是光子晶体的一大重要特性。频率处在光子带隙内的电磁波在光子晶体结构中不能传播。光子晶体还有一个关键特性,即缺陷态。破坏光子晶体的周期性,构造缺陷,则在光子晶体的带隙范围内将出现缺陷态。缺陷模式的场将被禁锢在缺陷位置的附近,而禁带内除缺陷态以外的场都不能存在于光子晶体中,因而光子晶体结构拥有良好的模式选择特性。光子晶体缺陷可用于构造微波谐振腔。
  由于光子晶体的独特性质,使得这一结构被广泛运用于多个领域。在电真空领域,如行波管,返波管等中的应用,目前也已得到一些研究。而关于光子晶体在速调管中应用的研究,则较为缺乏。由于光子晶体的模式选择性,将其应用于速调管中,理论上可以很好地解决传统速调管的杂模问题。本论文主要探索将光子晶体结构运用于速调管之中。
  本论文首先对光子晶体的一些基本概念和原理进行了介绍,简单阐述了光子晶体能带结构的基本理论,并着重介绍了 BandSOLVE和 CST这两种计算光子晶体带隙的工具。借助这两种仿真工具分别对金属材料三角晶格型光子晶体的能带结构进行了计算和对比。并通过仿真光子晶体结构的传输特性,对计算的能带结构进行了验证。然后,以微波谐振腔的相关设计原理为基础,结合光子晶体的能带结构,设计了用于速调管中的光子晶体结构输入、输出腔以及中间腔。此外,针对谐振腔中的高次模振荡,提供了有效的解决方案。理论分析和计算结果表明,由于光子晶体谐振腔工作模式的强烈约束特性,抑制手段对非工作模式具有很好的吸收,而对工作模式则影响很小。最后,运用已完成的光子晶体输入腔、输出腔及中间腔设计了一支光子晶体结构的速调管。对光子晶体速调管中出现的电子回流问题进行了分析,提出了改进措施并仿真验证。仿真结果显示光子晶体结构的速调管在对电子进行速度调制并最终放大信号的同时,杂模也得到了有效抑制,输出信号纯净。证实了将光子晶体结构应用于速调管中是独具优势且切实可行的。
[硕士论文] 聂柳东
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于真空电子器件(Vacuum electronic device)研究的需要,而这些器件中存在复杂的电磁场和粒子互作用,仅仅依靠传统的解析方法很难得到准确的结果。通过实验方法研究往往花费昂贵且耗时。作为真空电子器件研究的第三途径——粒子模拟(PIC)方法具有成本相对低廉,直观和操作方便等优点。它是借助现代计算机研究带电粒子在电磁场中运动及相互作用。但是 PIC方法对计算资源要求很高,例如在普通计算机上对复杂电真空辐射源的串行三维模拟往往需要花费数十小时甚至数周的时间,有些甚至不能计算。并行计算被认为是解决这一瓶颈的最有效手段。
  当前我国的高性能计算平台世界领先。本论文在调研国防科学技术大学银河高性能计算平台的基础上,结合以往CHIPIC的相关研究成果,完成了一款能够适应于银河高性能计算平台的三维并行粒子模拟软件CHIPIC3D,并在该平台上对几个器件进行了大规模并行测试和分析。主要工作如下:
  1.通过对银河高性能计算平台的调研,取得了银河高性能计算平台的逻辑结构、操作系统和银河资源调度系统的组成信息;确定了该平台的 MP I(M essa ge passing interface)的类型和版本以及操作方式。
  2.针对银河高性能计算平台的字符操作界面和光盘输入输出的特点,确立了Windows三维辅助建模——Unix/Linux大规模并行核心计算——Windows数据可视化的跨操作系统架构。在这一架构思路指导下,搭建了用于Windo ws三维辅助建模和数据可视化的开发测试环境;针对银河高性能计算平台操作系统和并行支撑库的类型和版本,搭建了基于Linux的编程环境以及基于Linux的四节点高性能集群测试系统。
  3.基于上述工作,进行了需求分析和各功能模块划分,完成相应模块的设计和实现,完成了一款完整的适应于银河高性能计算平台的三维并行粒子模拟软件。
  4.在银河高性能平台上利用该CHIPIC3 D对磁绝缘振荡器、相对论速调管、返波管和140GHz行波管等开展最高200进程的并行测试,并使用数据可视化模块对仿真数据进行了分析和比较。
[硕士论文] 龙文盼
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:行波管作为一种高功率微波放大器件,广泛地应用于雷达、卫星等高精尖国防领域。如何快速有效地生产高性能行波管对国防事业具有极其重要的战略意义。然而,由于行波管的加工技术和设计周期所限,行波管具有生产周期长、造价高等特点。这一定程度上限制了行波管的广泛应用。目前,关于行波管二维工程图纸的生成方式,绝大部分企业沿用着传统的手工创建生成的方式。新设计了一个性能良好的模型结构之后,都需要工程师手动绘制出该三维模型对应的二维工程图纸,并对其关键尺寸逐一进行标注说明。这些过程中不可避免地包含了大量重复、琐碎的工作,极大地降低了工作效率,同时也耗费了大量的人力资源。为解决这些问题,达到提高生产效率的目的,亟需二维图纸的自动生成技术。本文通过 C++对 UG 软件进行二次开发,重点对行波管零部件尺寸如何实现自动标注进行研究,最终达到二维工程图纸自动化生成的目的。
  本文首先结合相关专家学者对尺寸自动标注方面的研究成果,提出了基于模型棱边尺寸的自动化标注方案。通过相应的UG/OPEN API函数创建指定图幅大小的图纸载体,并导入三维模型的视图信息。然后获取模型的棱边并按其棱边类型和方向对其进行分类和简单的去重操作,接着在对应的视图上对需要标注的棱边进行尺寸标注。最后为图纸加上图框和明细栏部件,并对明细栏的部分关键信息进行自动填写,最终得到完整的二维工程图纸。本文主要运用计算机高级语言实现图纸自动生成,这种方式不具有普适性。为了方便广大用户对本课题成果的使用,本文自定义了一套浅显易懂、上手迅速的上层伪代码。该伪代码主要由特定的英文关键词和数字信息组成。通过读取该伪代码组成的文件来实现图纸的自动生成。用户在使用过程中只需要编写相应的伪代码文件就可以实现指定功能,具有很强的灵活性。最后,本文对行波管无栅电子枪部件的关键尺寸进行误差分析。通过 MTSS 对其进行仿真计算,得到相应尺寸对该结构性能影响较小的尺寸误差范围。
[硕士论文] 王燕
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:回旋行波管作为电真空器件家族中重要一员,具有高功率宽频带的特点,在毫米波雷达、毫米波通讯、电子战等方面具有广泛的应用前景。然而回旋行波管工作在W或更高频段时,若工作模式仍然采用TE11或TE01等低阶模式,高频尺寸会变小。这样带来的问题是管子功率容量受限,易发生电子截获,加工困难等。采用高阶模式作为回旋行波管的工作模式可以有效的解决这一问题。因而研究高阶模回旋行波管具有重要的意义。围绕高阶模回旋行波管的研究,本论文主要做了以下两个方面的研究工作:一是对以 TE12模式作为工作模式的回旋行波管的高频互作用结构以及输入输出系统进行了研究;二是围绕回旋行波管中常用到的低/高阶模式激励器进行了研究。主要研究内容及结果如下:
  第二章对以 TE12模式作为工作模式的回旋行波管的高频结构进行了设计研究。首先基于小信号理论计算了工作模式TE12以及与TE12模式色散曲线几乎重合的TE41模式的起振电流。研究计算表明当磁场取为切点磁场的0.988倍时,TE12、TE41模式的起振电流达到10A以上,因而工作电流为10A时,可以保证这两个模式不发生绝对不稳定性。基于小信号理论同时也计算了与电子回旋模色散曲线交于 kz负半轴的可能发生返波振荡的模式的无损起振长度,以及各模式起振长度达到20cm时相应所需要的损耗值。然后基于小信号理论计算的结果仿真分析了材料对各模式的损耗情况,并确定了一个可以稳定工作的介质分布加载高频结构。最后分析了光滑段长度、电压、磁场等的改变对高频输出的影响。
  第三章对TE12模式回旋行波管的输入输出系统进行了研究。设计了单Y分支Bragg反射器式输入耦合器,针对同一单Y分支结构设计了两种Bragg反射器,解决了传统截止波导在高频段尺寸过小的问题,加工测试了一个带矩形波纹波导Bragg反射器的输入耦合器。为了进一步提高输入耦合器的转换效率,提出了一种双扭Y分支输入耦合器结构,仿真结果显示相较于单Y分支结构TE12模式的转化从-1dB左右提高到了-0.5dB左右。输出窗的设计中间层为蓝宝石,厚度1mm,匹配石英的厚度为0.42mm,仿真及理论计算显示带宽满足设计要求,热分析结果显示窗片可以有效工作,最后加工测试了单层蓝宝石窗片。
  第四章对回旋行波管中常用到的模式激励器进行了研究。首先提出了一种新型的可以激励 TE0n/TE2n/TE1n'模式的激励器,设计思路为矩形 TE10→矩形 TEn'0→圆波导TE0n/TE2n/TE1n'。该模式激励器可以激励起低阶/高阶模式,结构紧凑,加工简便,模式纯度高,工作带宽较宽。在我们提出的结构基础上设计加工测试了一个低阶的 TE01模式激励器、TE01/TE21模式激励器(同一种拓扑结构)、以及一个高阶的TE13模式激励器,并设计了一个高阶的TE12模式激励器以用于TE12模式高阶模回旋行波管中。最后还设计测试了一个高阶模 TE13模式输入耦合器,相较于TE12模式输入耦合器TE13模式输入耦合器的竞争模式更加难以抑制。针对这个难点提出了波导壁侧壁开槽的思想,破坏竞争模式的电场结构,抑制竞争模式的形成,并提高设计模式的转化效率。
  研究采用高阶模的回旋行波管可以避免采用低阶模时在W频段或更高频段因尺寸过小带来的功率容量受限、加工困难等问题。低阶/高阶模式激励器的研究对于回旋行波管的冷测和热测实验具有重要意义。
[硕士论文] 赵红朋
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:数值仿真技术在真空电子器件的研制方面一直起着关键性的作用,但随着各种新结构、新材料及新工艺的新型真空电子器件的急迫需求及快速发展,已有数值仿真技术的适用性遇到了越来越多的挑战。与此同时,随着计算机的高速发展,粒子模拟技术因其特别适合于解决物理规律不是很清晰与数学上分析很困难的问题而越发显现出优势。
  但粒子模拟仿真非常消耗计算机资源和时间,对于复杂的真空电子器件的仿真过程,往往需要花费数十个小时甚至数周的时间,这极大地限制了粒子模拟技术的工程设计应用,不过随着算法能力的增强和计算机计算能力的不断提升,这一限制正逐渐被消除。
  GPU是一个异构的多处理器芯片,它拥有大规模并行的处理器核心,利用其进行并行计算可以大大缩短程序的运行时间。CUDA的出现使编程者无须掌握复杂的理论就能利用GPU进行并行编程,从而使GPU得到快速地发展。粒子模拟技术具有天然的可并行性,因此基于CUDA C/C++语言及其库函数对已有的粒子模拟程序进行GPU并行加速是显著提高其模拟效率的极其可行的途径之一。
  本论文基于真空电子器件应用,在x-y坐标系下进行了2D3V电磁粒子模拟算法的推导、程序编制及验证,然后用GPU对程序进行了并行优化。所做的工作主要包括:
  1.对粒子模拟技术在真空电子器件研究中的重要性进行介绍,并对GPU的优良性能进行说明,接着对粒子模拟算法利用GPU进行并行的优势进行阐述;
  2.对GPU体系架构与CUDA编程进行了总结与概述;
  3.推导出x-y坐标系下的基于真空电子器件应用的2D3V电磁粒子模拟算法,主要包括:网格所属的电磁场的更新、宏粒子的速度位置的更新以及网格所属的电流密度的更新等;
  4.编制了2D3V电磁粒子模拟程序,模拟了两种注波互作用过程,并对模拟结果与粒子模拟软件MAGIC模拟的结果进行了对比,验证了编制程序的准确性;
  5.针对上述2D3V电磁粒子模拟程序,建立了GPU加速算法,然后利用CUDA实现了程序的并行与优化,并对串并行结果进行对比验证,最后给出加速比。
[硕士论文] 陈梁
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:自上世纪中叶首支行波管诞生以来,行波管的性能一直处于不断发展中,追求着大功率、高频率、大宽带和小尺寸等特性。其生产制造工艺要求也越来越严格,但其生产装配过程管理技术相对落后,在行波管零部件装配过程中,研制周期长,流程繁琐,成品率低,因而必须借助更好的手段来提高行波管生产效率,提高成品率。而数字化管理是三维模型生产制造过程中的重要组成部分,数字化处理技术被广泛的应用在大量复杂结构的模型生产制造过程中。其中数字化装配技术能够显著缩小装配的时间周期,提高设计的效率,设计师可将更多的时间精力投入到零部件的数字化建模、装配和仿真的研究上。
  本文结合计算机辅助技术对行波管进行数字化装配过程研究分析,以图形化界面工具 UG为基础,行波管为研究对象,结合行波管的结构特征,设计出合理的数字化装配系统,设计了用户交互界面以进行行波管装配轨迹的修改、各个部件的干涉检查,对实际的装配过程具有实质性的指导作用,能够大大地提高行波管各组成零部件的的装配效率,降低生产成本。
  利用Visual Studio2013开发工具包对UG进行二次开发,利用UG提供的相关开发工具集UG/OPEN Menuscript、UG/OPEN API和UG/OPEN UIStyler设计了人工交互界面进行数字化装配过程的研究分析,生成了一套可行的数字化装配方案,用户可以动态修改装配序列轨迹,装配顺序以及控制行波管不同组件的装配。
  本文还借助 MTSS软件分析了行波管装配过程的误差范围,对装配间隙进行控制修改,得到符合特定需求的数字化可装配范围,通过 C/C++编写的代码直接控制装配约束并进行装配过程干涉检查,确保装配的合理性和高可靠性。
[硕士论文] 李萌萌
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:行波管自诞生以来就得到迅速发展和广泛应用。电子枪作为行波管的重要组成部分,对整管的工作性能起着决定性的作用。在具体模拟时工作人员发现,电子枪模拟结果有时和实际工作状态吻合较好,而有时会出现明显不一致的情况。这是由于电子枪的数值计算是依赖电子光学CAD软件而实现的,而设计师在使用软件模拟电子枪时诸多参量一贯采用默认设置,从而导致模拟结果与实际工作状态出现差异。所以电子枪参量的准确设置是至关重要的。
  本文主要对影响电子枪模拟结果的重要参量,包括阴极材料属性、网格尺寸及虚阳极位置等进行了研究与分析。通过电子枪模型对这些参量进行模拟,研究得出准确的参量取值方法。并对不同的轴对称电子枪和栅控电子枪模型进行分析模拟,验证了取值方法的合理性。研究结果表明,功函数和温度对阴极电流影响很大,因根据实际测量设置,通常取在可稳定发射的范围内;在保证收敛情况下,选取相对较大网格值来提高模拟效率;人为设置的虚阳极位置严重影响发射电流,通过比较我们认为,应选择阴极电流曲线极值点处作为虚阳极的准确位置。
  本文对影响电子枪模拟结果的其他重要参量,如:有限元阶次、局部对称计算、自适应及求解维数等也进行了研究与分析。将这些参量分别对栅控电子枪和轴对称电子枪两类模型进行模拟,并得到变化曲线。研究得出,准确模拟电子枪时,可首先选择有限元线性插值、1/4局部对称、非自适应和三维计算。通过分析这些参量,可以将模拟结果、计算时间和占用资源三部分进行更好的协调,在保证计算精度的前提下提高模拟效率。
  本文提出了轴对称及栅控电子枪重要参量的取值方法。通过电子枪模型,分别采用本文提出的与软件默认的两种参数设置方法进行模拟,并将其仿真结果进行对比。研究结果表明本文提出的参数取值方法具有重要作用与意义,为同行业内人士提供了方便有效的模拟仿真流程,缩短了电子枪的优化周期,避免了不必要的人力和材料等资源的浪费。
[硕士论文] 王文
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:不论是应对半导体放大器件的挑战还是行波管自身的发展,宽频带和高功率一直是行波管行业前进的重要方向。频带的拓宽和功率的提高不仅带来行波管性能上的提升,还将产生重大的经济效益。本文基于输出功率和二次谐波抑制这两个指标,对超宽带行波管注波互作用的优化进行研究,论文的主要工作体现在以下几个方面:
  一、系统地探讨了慢波特性受高频结构影响的规律。对慢波特性影响显著的是螺旋线内径、螺距、翼片内径及翼片夹角,影响微弱的是螺旋线的厚度和宽度以及夹持杆的宽度和外径。
  二、提出并验证了翼片内径跳变对抑制超宽带行波管二次谐波的可行性和高效性。传统的螺距正跳变无法使超宽带行波管大部分频点的二次谐波得到很好的抑制,而采用翼片内径负跳变的技术,二次谐波抑制效果比无跳变和单螺距跳变都要好。
  三、研究了归一化相速对输出功率的影响,得出了4GHz和18GHz的相速取值范围。相速须稍小于电子注速度,但并没有对小多少进行量化。不同频段的行波管,相速小多少的程度是不一样的,通过研究4-18GHz超宽带行波管的最佳同步相速,为了尽可能地提高输出功率,探讨了两种色散反常度下边频点的归一化相速范围。
  四、提出一种高效的互作用分布来优化全频带的输出功率。保证边频点相速在工作三的范围内,输入段色散平坦且耦合阻抗大,便于更好地同步和缩短互作用长度;输出段色散反常度大,便于更彻底地抑制二次谐波。
  五、利用成熟的速度再同步技术,有效地提高了电子效率。在输出功率饱和点前的某个位置,适当地减小螺距,设计标准就是保证18GHz的电子效率达到最大。
  六、结合前述的优化技术和方法,参考宽带行波管的设计流程,完成4-18GHz超宽带螺旋行波管高频结构的设计和注波互作用的优化设计。实现了4-18GHz全频带内输出功率不小于150W、二次谐波抑制不大于-3.5dBc且电子效率高于15%。
[硕士论文] 袁忠贤
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:碳纳米管场致发射性能要优于一般的材料,且日常工作时的开启电压低,材料的稳定性高,故可作为冷阴极器件的电子发射材料。行波管通常用于微波、毫米波的功率放大。为了发展碳纳米管场致发射冷阴极电真空微波器件,因此,对于碳纳米管冷阴极行波管的研究具有十分重要的科学价值和现实意义。
  本文正是通过电磁仿真软件完成了8mm碳纳米管冷阴极行波管的设计以及仿真研究等工作。主要工作如下:
  1.电子枪光学系统的设计与仿真。以经典的场致发射理论为背景,建立碳纳米管场致发射模型,完成行波管冷阴极电子枪光学系统的设计与仿真,获得带状注电子枪所产生的电子注轨迹、电子注电流和电流密度等重要参数,并对其进行仿真优化。
  2.交错双栅周期慢波结构高频特性的仿真与研究。以交错双栅周期慢波结构作为本课题的研究出发点,深入研究了其电场分布、色散特性和耦合阻抗等特性,以及各结构参数的变化对色散特性和耦合阻抗的影响,并将该周期慢波结构应用于本文所设计的8mm行波管中。
  3.8mm行波管输入输出装置的分析与设计。结合交错双栅周期慢波结构,采用特定的周期慢波过渡结构以及输入输出装置,从而降低该高频系统衰减和反射,以保证行波管获得稳定的输出。
  4.8mm碳纳米管冷阴极行波管的设计与仿真研究。把碳纳米管冷阴极材料作为行波管粒子的发射源,利用CST模拟仿真软件设计出了8mm碳纳米管冷阴极行波管,且其工作频率为32GHz,在30.8-36.8GHz范围内增益最大可达32dB,互作用效率高达13.6%。
[硕士论文] 宗帅
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:毫米波源相对于低频微波源而言,具有分辨率高、宽频带、能量集中等优势,在军事上以及民用上都有很大的发展潜力。而在毫米波频段,回旋行波管是重要的微波信号放大器,它采用快波横向换能的工作方式,相比于传统的电真空器件,不仅具有高功率和高频率的优点,并且在工作带宽方面有着很大的竞争优势,被广泛应用于高分辨雷达、通信、电子对抗、超级干扰机、定向能武器、受控核聚变以及微波加热等多个国防、科学研究和工农业生产领域。
  回旋行波管的高频系统一般包括输入耦合器、输出窗和高频互作用结构,对器件有着关键影响,必须在工程应用前,对它们进行冷测实验以确保其性能的可靠。对回旋行波管高频系统的冷测主要是对输入耦合器和输出窗的传输反射性能的测试,尤其是对高频结构中各模式的传输和衰减的测量,进而研究高频结构的色散关系。回旋行波管一般用TE01模作为工作模式。TE11、TE21以及TE02等竞争模式的存在是不稳定性问题的根源。为了解决不稳定性问题,回旋行波管一般采用介质加载高频结构。介质材料的选取对高频结构的性能有着很大影响,必须对其电磁参数进行准确测量。现有的微波测量系统一般以矢量网络分析仪为基础,而矢量网络分析仪一般只能将同轴信号通过波导同轴转换接头转换为标准矩形波导的TE10模,所以为了满足对回旋行波管高频系统的冷测实验需求,需要设计TE10到TE11、TE21以及TE02的模式变换器。本论文主要研究内容分为以下几个方面:
  1.介绍了高功率微波的发展及应用。重点介绍了回旋行波管的发展,说明了其结构和工作原理,阐述了不稳定性问题及介质加载高频结构的重要应用,介绍了冷测实验波导模式变换器的研究现状。
  2.介绍了介质材料电磁参数测量方法,重点介绍了传输反射法的原理。进行了陶瓷材料测量实验,并基于MATLAB编制了GUI界面,方便了对实验数据的处理。
  3.设计和仿真了TE10到TE01、TE11、TE21的模式变换器,并对其进行了实验验证,以满足冷测实验的需求。
  4.设计和仿真了输入耦合器和输出窗,并进行了冷测验证实验。
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