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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] 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。
[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。
[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] 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] 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。
[博士论文] 刘宇鹏
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:液晶材料是介于液态与晶态之间的有机化合物,兼有液体和晶体的部分优点,基于电光效应,液晶材料在微波频段具有双折射特性及介电各向异性,在微波雷达、精确制导和无线宽带通信等方面具有深度的发展潜力。液晶材料运用到微波关键无源元件中,能实现相应中心频率宽带调谐的控制,达到动态选频、扩大调谐范围与带宽,进而实现电子系统小型化和轻量化特性,能广泛应用于通信、雷达、跟踪接收机以及电子对抗设备等微波系统,是当前微波领域的热门探索方向。通过液晶材料调谐特性、小型化谐振单元、微波关键无源元件结构设计等方面,深入研究了液晶材料在微波频段的物理特性、开环谐振结构液晶可调滤波器、开环谐振结构液晶可调滤波功分器、互补开环谐振结构梳状基片集成波导液晶可调滤波器、互补开环谐振结构半模梳状基片集成波导液晶可调滤波器。
  本研究主要内容包括:⑴液晶材料在微波频段的介电特性研究。在采用数学模型对液晶材料的电场效应、双折射特性、电调介电各向异性等物理特性进行分析的基础上,利用连续体弹性形变理论对液晶材料的电调介电特性进行精确建模,通过数值分析得到不同位置处液晶分子指向矢倾角随外加偏压的连续变化曲线。基于带修正因子的改进型谐振法对液晶材料在微波频段的介电常数进行测量与计算,并得到微波频段液晶的介电常数极值与液晶电调介电特性模型,以及微波频段液晶介电参数随外加偏压的连续变化曲线。由迭代法结合实测介电常数分析得到了微波频段液晶材料的损耗角正切的压控特性。提出了利用特征值分析与液晶层相邻分界面处的模式匹配条件,结合液晶介电特性,通过 Maxwell方程组对液晶中入射均匀平面波进行数值分析,得到相应的电磁场传输特性。实验验证:待测液晶在微波频段实现介电常数在(2.73,2.32,2.32)~(2.32,2.32,2.73)范围内变化。上述研究为实现液晶材料在微波可调谐元件方面的应用奠定了基础。⑵基于液晶材料的微波频段介电特性,提出了一种基于液晶材料的可调谐滤波器仿真与设计方法。该方法将液晶材料封装在多层基片的内部,利用倒置微带电路结构与液晶材料有效接触,利用液晶材料的电调介电各向异性实现电路的调谐特性,级联具有高Q值的SRR磁谐振结构使宽带扩展及产生阻带抑制性能,并结合渐变线阻抗变换结构解决由液晶材料电控介电各向异性造成的滤波器馈电端口阻抗匹配及可调稳定性问题,进而设计了高性能微波可调谐滤波器。最终对液晶可调谐滤波器进行仿真与实现,实验验证:该类液晶可调谐滤波器中心频率可调宽度大于430MHz。该类电路结构具有宽带、尺寸小、传输响应良好、通带可调范围较宽以及高频选择性良好的特点。⑶为了同时实现信号的低损耗传输及较强抑制,提出了加载液晶材料及开环谐振型(SRR)异向结构的可调滤波功分器设计。该设计中采用圆形/多边形 SRR替代Wilkinson功分器的四分之一波长变换段,将滤波功能集成在功分器中。利用倒置微带电路结构以及在滤波功分器内部填充液晶材料,通过改变偏置电压值进而有效控制液晶有效介电分布,实现该元件的动态选频及功率分配。仿真并实验验证了该宽带可调滤波功分器可实现大于510MHz的中心频率调谐范围,有效避免多个谐振器耦合、调谐过程中级间阻抗失配等问题。该设计实现用一个器件有效完成两个器件的功能,并有效降低电路中的能量损耗,满足电子系统对微波元件体积小、重量轻、易于集成、损耗低、Q值高等要求。⑷针对新型波导滤波器研究,提出了一种基于液晶材料互补开环谐振(CSRR)可调微波CSIW滤波器设计。利用CSIW的四分之一微带线枝节取代SIW的金属通孔,解决了SIW在加偏置电压时,由于金属化通孔使波导上下两个平面短路的问题。针对 CSIW传输线结构的工作原理和传输特性,利用互补开环谐振型异向介质结构的电磁散射特性-加强散射特性可放大截止模,并结合液晶的电调介电各向异性和倒置微带线的高调制效率,设计基于电控液晶材料的加载CSRR的CSIW滤波器,该波导滤波器具备高调制效率、高 Q值、低传输损耗等优势。为了进一步减小元件尺寸,提出了一种加载CSRR结构的HMCSIW可调谐滤波器,通过传输线理论、等效电路原理对所设计的新型微波CSIW/HMCSIW可调滤波器进行建模分析。实验验证:该新型滤波器中心频率可调范围为1.33GHz,插损耗小于5.3dB,回波损耗大于15dB,结构尺寸18.5mm×17.2mm,实现了具备宽范围频率选择特性的CSIW/HMCSIW-CSRR液晶可调谐滤波器。
[硕士论文] 赵利蕊
等离子体物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:传统的电真空微波器件利用热阴极作为电子发射源,结构复杂,且需要高温加热,因此使器件的应用受到许多制约。冷阴极场致发射无需高温加热,在室温环境下便可以工作,启动快,且结构简单。通过设计特定电子枪结构,可使得发射体表面发射出来的电流得到预调制。碳纳米管具有优异的场致发射性能,可以用作场致发射冷阴极材料,因此,本文采用碳纳米管材料作为场致发射电子源,并提出了一种8mm微型辐射源的理论模型。本论文的主要研究工作如下:
  1.根据碳纳米管场致发射机理,结合场致发射经典F-N公式得到场致发射冷阴极电子枪的电子注调制原理,据此构建用于8mm碳纳米管微型辐射源的电子枪模型。在电磁仿真软件CST中计算得到该电子枪的调制电流大小和深度。改变阴极电压以观察电压变化对电流大小和电流调制深度的影响。
  2.构建盘荷波导单周期模型,利用周期边界法在电磁仿真软件CST中计算该盘荷波导周期结构的色散特性、特性阻抗、品质因数以及谐振频率,并分析研究盘荷波导不同结构参数对色散特性、特性阻抗、品质因数以及谐振频率的影响。计算盘荷波导多个模式,得到各个模式的电场分布和场强大小变化,以及各模式的谐振频率、品质因数和特性阻抗。找出合适的工作模式。
  3.首先通过计算得到盘荷波导的单周期长度,并得到对应的相速。根据前面的结构参数对高频特性的影响从而确定盘荷波导的结构参数值。在相同高频结构条件下分别采用直流电子注与预调制电子注对其激励,对这两种情况进行热腔仿真,得到其输出功率。通过对两者进行比较发现,采用预调制电子注的激励方式,该辐射源不仅起振快,而且起振电流也比直流电子注激励条件下的起振电流小。
[硕士论文] 孙丽娟
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于波长短、频率高、频带宽等特点,微波管被广泛应用于雷达、电子对抗、通信等领域中。微波管是一种通过电子注与微波的相互作用,将电子注的能量转化为微波能量,从而实现微波信号放大的电子系统。随着军事、经济等方面的发展,人们在微波管的工作频率、工作效率、工作带宽等方面建立了更高的标准。而多电子注微波管能够在一定程度上满足这些需求。
  作为微波管的重要组成部分之一,收集极主要通过回收从互作用区出来的废电子注能量来提高微波管的效率。本文基于微波管模拟器套装MTSS对多电子注收集极设计进行研究,主要围绕以下几个方面来展开。
  本论文对收集极内场强进行分析,并对收集极性能进行理论计算。由于收集极各级电极所加电压不同,所以收集极内会有一定的电场分布,电子注内电子由于受到电场力的作用,其运动轨迹会发生变化,从而对收集极性能产生影响。本论文利用三种方法对收集极内电场分布进行计算,最终得到收集极内纵向方向的场强与横向方向场强之比与该点位置有关。这里假设该比值为一个定值,通过对入口条件进行分析,计算出电子打在收集极上的位置,从而计算出收集极的效率及回流率,最终计算效率与仿真效率最大相差2.4%,最小相差0.72%。
  由于单注收集极的设计是多电子注收集极设计的基础,所以本论文对单电子注收集极的设计方面也进行了相关的研究。在多级降压收集极的设计中,各电极尺寸的选取是设计中的重点。这里提出了一种收集极电极参数的计算方法,通过计算电子打在各级电极上所产生的热功率来计算各电极的基本结构尺寸。最终所得到收集极的效率为81.42%,对其进行优化后效率达到84.25%。
  在单电子注收集极的基础上,本文对多电子注收集极的结构也进行了相关设计。利用单电子注收集极结构尺寸的计算方法对四电子注收集极的结构尺寸进行计算,并利用MTSS对其进行建模仿真。最终得到的收集极效率达到81.36%。本文也对多电子注收集极优化过程中的关键因素进行了分析,并对优化后的多电子注收集极所应满足的要求进行了说明。
[硕士论文] 方兰
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文所研究的毫米波双频段行波管是指同一个慢波电路可以工作在两种不同频段的行波管。毫米波双频段行波管研究对雷达和通信系统发展有着重要的影响,不仅可以有效地减少雷达发射系统的尺寸、重量和成本,还可以为高速发展的通信系统发射机提供轻质和紧凑的解决方案,同时还可以推动双频雷达系统的研究,具有极其重要的学术价值和现实意义。
  对于毫米波双频段螺旋线行波管的研究主要集中在国外的一些机构,国内目前对这方面的研究报道还比较少。本论文主要研究一种能工作在Ka/Q(29-31GHz和43.5-45.5GHz)的双频段螺旋线行波管,探讨同一种慢波电路工作在两个频段的可行性,对行波管电子枪及慢波电路注-波互作用进行模拟仿真,最后设计出符合要求的Ka/Q双频段螺旋线行波管。
  本论文主要完成以下三个方面的工作:
  1.利用HFSS软件在现有的弱色散慢波电路的基础上,通过优化设计或改进慢波电路对其高频特性进行模拟,得到一种适合Ka/Q双频段行波管工作的螺旋线慢波结构;
  2.利用ORION软件对Ka/Q双频段螺旋线行波管整管结构和工作参数进行计算。利用CST对行波管注-波互作用进行粒子模拟。其仿真结果为:当管子工作在Ka波段(29GHz-31GHz)时,饱和输出功率达到199W以上,增益高于49.9dB,电子效率超过15%;当管子工作在Q波段(43.5GHz-45.5GHz)时,其饱和输出功率在191W以上,增益超过49.8dB,电子效率高于12.5%;
  3.利用ORION软件设计一只满足毫米波双频段螺旋线行波管电压、电流要求的电子枪,获得电子枪电极尺寸及特性参数。
[硕士论文] 刘宇
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:自从1943年第一支螺旋线行波管诞生之日起,行波管领域的各个方面已经历了70多年的发展。现今行波管仍在国防、通信等领域有不可替代的地位。随着不断的理论研究和工业制造水平的提升,各种新型管型不断涌现,与之相应的对行波管的测试要求也在不断提高。由于测试过程中涉及到对高频电磁信号进行放大与采集以及精密微波测量仪器的使用,如何高效而精确地测量行波管的各个参数成为该领域急需解决的问题。目前在出厂测试环节中已有自动测试系统的投入使用,通过测试仪器直接采样,人们实现了对某些行波管参数的快速批量测量。但针对一部分行波管主特性参数,目前由于没有高效可靠的测试控制与测试数据分析算法,大量的测试流程控制与测试数据分析仍然依靠人工完成,测试效率低下,并且测试标准无法统一。
  本文针对国内外行波管测试研究的现状,在前人基础上,研究并改善行波管主特性参数的自动测试控制与数据处理分析方法。主要实现行波管饱和特性、增益压缩和增益线性度等几个目前在测试中仍需较多人工参与的参数自动测试。将具体参数的测试流程控制和参数提取算法分别封装到各对应函数库中,使得包括本课题组研发的基于LabVIEW平台在内的各测试平台均可方便调用,移植性高。本文主要工作包括以下几个方面:
  1.对行波管和自动测试系统进行介绍,阐述了行波管测量目前发展情况。
  2.研究了行波管基本特性的测量方法,在比对不同方法的基础上,给出了本文所选测试方案。
  3.给出了自动测试系统的设计与具体组建方案,在硬件和软件两个层面分别给出了具体的实现途径。
  4.讨论了基于自动测试平台的对行波管主特性的测试流程算法以及数据处理分析模块的建模与实现过程。
  5.在自动化测试系统上调用测试流程控制与数据分析算法对样品行波管进行了实际测试,并对测试结果进行比较分析。
[硕士论文] 戴文涛
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:行波管和速调管是两种主要的线性注微波器件。其中,行波管是一种功率通常为几十到几千瓦,频带宽度可以到2个倍频程的宽带器件。而且,行波管具有非常广泛的应用领域,现今大多数卫星通信系统都使用行波管作为末级放大器。在大多数雷达系统中,都通常使用一支或若干只行波管作为产生高频发射脉冲的大功率放大器。
  由于行波管中电子发射的随机性,电子总是先后随机、速度不均匀地进入高频互作用区。这就意味着会不可避免地产生噪声,并导致通讯电子系统的输出功率变化,最终影响雷达系统的辨错能力和提高通讯系统的错码率。该文章采用理论分析推导与计算机宏粒子模拟的方法,深入研究了行波管噪声的产生、变化情况及抑制噪声的方法,论文的主要内容与创新点如下:
  1.研究分析了行波管噪声的产生、传播、增长及对功率的影响,这对解释行波管中噪声的形成机理有重要的意义。采用一维线性模型,并利用已有的行波管数据计算噪声系数随着距离的变化情况,并研究不同参数对噪声系数的影响。
  2.根据非线性宏粒子模拟的要求,设置噪声的初始状态。分别应用了 SASE的自由电子激光宏粒子设置方式和麦克斯韦速度分布律来设置初始噪声,并且采用了伪随机数的方式对宏粒子随机化设置。应用噪声设置方案编写程序,结合行波管标准方程进行一维非线性噪声计算,并获得噪声功率谱密度。
  3.为计算行波管二维噪声,设计了26-40GHz和33-40GHz两只不同频段的螺旋线行波管的高频结构。利用HFSS软件与TAU软件配合使用,使得工作频段为33-37GHz输出功率在100w以上,37-40GHz在80W以上。26-40GHz行波管为追求最大功率,全频段输出功率都在200W以上。
  4.根据所设计的螺旋线行波管数据,开发了2.5维螺旋线行波管噪声计算程序,使其能够计算实际行波管的散粒噪声和速度噪声的功率谱密度。并且利用该程序探究不同电参数对噪声结果的影响,从而给出降低噪声的方法。
[硕士论文] 黄楠
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:回旋行波管是一种相对论非线性真空电子器件,其在微波毫米波以及太赫兹波段有不可替代的优势。其结构简单、输出功率高、增益高、工作频率高、带宽宽等优点使得其很适合应用于雷达、通信、电子对抗、等离子体加热等高频高能领域。回旋行波管的高频结构是回旋行波管的核心部件之一,它是电子注与高频电磁波发生互作用的主要场所,也是实现电子注与电磁波能量转换的主要场所。然而,由于其采用横向互作用机理,高频结构中很容易发生竞争模式振荡,限制回旋行波管的性能。因此,许多科研人员致力于回旋行波管多模振荡的研究,从理论和实践上发展出多种方法来抑制回旋行波管的多模振荡,提高回旋行波管的工作性能。其中在高频结构中采用介质加载是一种使用广泛、成熟有效的方法。
  本文对回旋行波管的多模振荡的理论和种类进行讨论,通过对圆波导多模叠加的场方程和回旋电子运动方程联立推导,得到回旋行波管多模互作用方程组。同时分析回旋行波管中多种自激振荡的原理和影响因素,考虑抑制方法。并且开发适用于回旋行波管的蚁群分裂算法,通过数值优化算法对回旋行波管的高频结构进行仿真优化,设计出一种W波段的分布式介质回旋行波管高频结构,其输出功率达到136.63kW,效率达到28.46%,饱和增益达到51.36dB,带宽达到7GHz。本文的主要研究工作有:
  1.在回旋行波管自洽非线性理论中考虑多模效应,分析多模互作用的电磁波分布和电子注运动方程,对其进行联立推导,得到多模互作用方程组。
  2.对回旋行波管中自激振荡的种类进行讨论,分析其产生机理、影响因素和介质加载方法对其的抑制。并定性地分析端口反射带来的反射振荡。
  3.针对回旋行波管的实际问题在蚁群算法的基础上发展出蚁群分裂算法,编写优化算法程序,对回旋行波管高频结构进行优化设计。
  4.通过Particl-in-cell(PIC)粒子模拟得到一性能良好的W波段介质加载回旋管高频结构的仿真结果,并对仿真结果进行分析。
[硕士论文] 邓云高
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:行波管隶属于真空电子器件,随着对行波管研究的不断深入,其应用范围也随之逐年增加,且随着信息技术日新月异的发展,客户对行波管参数测量手段的要求越来越标准化和专业化。传统行波管参数测量方法费时费力,易受到时间、空间、设备等因素影响,使得测量效率和精度均受到较大限制,已不能满足当今社会需求。为了节省人力物力,远离某些危险测量环境,并提高测量效率和精确度,借助于计算机软件技术,创建基于行波管自动测试系统的远程客户端具有重要的现实意义。
  针对上述问题,本文详细论述了行波管参数测量方法的国内外研究现状,分析了行波管输入输出功率、增益线性度以及谐波输出比特性参数的定义及测量原理,在现有实验条件下,使用LabVIEW软件创建上述特性参数的自动测试系统。该系统只能完成实地参数测量,不能实现远距离在线操作,故本文在其基础上,主要完成以下三部分内容:
  (1)创建基于行波管自动测试系统的前端网站:使用Apache/MYSQL/PHP组合开发模式创建前端网站,在网站中创建了行波管简介、下载中心及用户留言等模块。某些用户可能对行波管相关参数的定义及测量原理等内容了解不足,故在进行参数测量操作之前,可先登录该网站,了解行波管相关理论知识,或者下载资料和留言交流。
  (2)创建基于行波管自动测试系统的后端测量系统:后端测量系统用于行波管参数的在线远程测量,该系统基于web端常用的B/S模式和bootstrap框架进行开发,对bootstrap框架进行了优化改进,并融入网页端图形绘制库文件Echarts和HighCharts。所做工作为:1)分别创建行波管主副特性参数测量模块,每个参数测量项对应5个子功能模块,用以完成参数测量;2)创建若干辅助性功能模块,用以对测量结果进行多方位展示;3)创建测量仪器管理系统,对所用仪器进行在线管理;4)论述测量系统仪器网络测量页面的具体实现技术,并给出5个参数的实际测量结果。
  (3)创建与浏览器客户端相对应的桌面客户端:将webkit浏览器内核和node.js技术相结合,创建与浏览器客户端相对应的桌面客户端,摆脱浏览器的限制,给用户提供两种方式进行行波管参数的远程测量。
[硕士论文] 杨顺刚
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当今现代行波管在雷达、通信等国防重点工程中扮演着越来越重要的角色。特别是在国家非常核心的工程项目中,行波管必须具有更加严格的稳定性和可靠性,所以我们必须对行波管的生产过程进行严格控制和管理。但是行波管的测试环境非常复杂,产生的结果数据量非常大,而传统的测量效率低、不准确,还存在安全隐患。所以对行波管的测量的要求越来越严格,需要更加精确化、自动化。目前国内外已经有多种类型的行波管自动测试系统,但这些系统多数都是针对某单一型号的行波管,无法做到通用化的测量。
  本论文的工作是对行波管自动测试系统的各个系统模块的数据提供一个可通用化的数据平台。测试系统的数据平台包括了测试数据、仪器管理、数据查询、用户管理和APP接口设计等模块。测试数据模块的功能主要分为数据展示和数据图表分析,通过表格形式展示最终结果数据,最后进行图表展示;仪器管理模块的功能是具有管理员权限的用户对行波管自动测试系统中的仪器信息库进行添加、删除、编辑;数据查询模块的功能是进行仪器信息查询和用户工程信息查询;用户管理模块的功能是用户可以进行修改密码操作,同时管理员具有管理所有的普通用户的权限;APP接口设计模块介绍了使用流程和相应的规范。
  主要工作如下:
  1.总结了PHP语言、MySQL数据库各自的主要特性和优势,介绍了虚拟仪器连接数据库的连接工具、Smarty引擎、MVC设计概念。
  2.分析数据平台各个模块信息和课题需求,建立虚拟仪器平台与数据库的连接通道,阐述了数据平台方案的可行性和可靠性,并介绍了数据的结构化存储。
  3.介绍数据平台总体结构,建立数据平台的MVC框架并对该框架进行了结构展示和阐述,同时对数据平台各个主要模块进行结构展示和功能描述。
  4.分别介绍了测试数据、仪器参数、用户管理等模块中各个实体的E-R实体模型以及在数据库中的数据库表,分析事物实体之间的联系,阐述数据库的操作。
  5.展示了数据平台整体界面结构,分别展示了各个模块的界面,并对各界面的实现流程做了详细分析,同时也对APP接口设计的实现做了详细的分析。对各个模块也进行相应的操作介绍,验证了各模块在数据库中实体关系的正确性,同时也为行波管自动测试系统提供了可靠的数据支持。
[硕士论文] 李胜明
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:微波窗(包括微波输入窗和微波输出窗)是微波管的重要部件,其作用有二:将管内真空与外界大气环境相隔离;将管内信号尽可能无损地耦合出去(馈出)或将管外激励无损耦合进来(馈入)。因其有将信号从一侧传输到另一侧的作用,有时也将微波输入窗和微波输出窗不加区分,概括地称之为输出窗。
  微波窗的发展是伴随着微波电真空器件的发展而发展的。自上世纪被发明以来,微波管就一直在向着更高频率和传输更高功率的方向发展着,以满足人们在工业应用和科学研究中不断增长的需求。这其中,微波窗性能的优劣将对整管的增益、带宽、电子注与电磁波互作用的效率、功率容量等方面有着直接的影响,与系统的可靠性和寿命也同样密切相关。尤其在高功率微波真空电子器件中,微波窗的损坏已成为限制微波管功率进一步提升的瓶颈。
  以往人们对微波窗的研究,一般是通过对其电参数的分析、仿真来进行微波窗结构的设计,对高功率应用中窗片受热时的状态多是概略的描述,对热、力特性的深入分析相对较少,也缺乏对微波窗受热形变后对电参数的反馈影响的考虑。而在传输高功率的情形下,热量的过度累积很可能会对微波窗产生损害,甚至对其电特性产生较大负面影响。因此,对微波窗进行电、热、力特性的多物理场协同仿真研究,有着重要的实际意义。
  本论文结合理论分析和计算机仿真方法,从微波窗的基本设计理论出发,分别对两种不同应用中的高峰值功率微波窗和高平均功率多层介质微波窗作了相应的设计并进行了其电热力特性的协同仿真研究,满足了相应的设计指标。本论文的主要工作和创新包括:
  1.深入研究了微波窗的设计方法,系统阐述了微波窗损坏的机理。对微波窗设计的要点,尤其是在提高微波窗功率容量、避免微波窗损坏上,对各种可行设计方案作了细致的探讨与总结。
  2.研究手段上,通过ANSYS Workbench仿真平台来实现电磁场、热、力与结构的多物理场协同仿真分析。通过这种方式,载荷的加载和所模拟的过程会更加准确而完整,对微波窗的设计工作具有更好的指导意义。
  3.设计了加速器中应用的高峰值功率圆锥形窗片结构的微波窗,分析了相关结构参数对传输特性的影响,并对其进行了进一步的热力特性的仿真研究,通过与常规盒型窗相比较,体现出该窗结构的优越性。
  4.针对高平均功率窗的应用,设计了一种兼具优异散热与较大带宽的五层介质微波窗,并仿真验证了该方法的有效性和可行性。
[硕士论文] 黄祥
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:大功率速调管是基于速度调制原理将电子的能量转换为微波能量的真空电子器件。从研制出第一个速调管到今天,速调管已经历了80年的发展历程。随着各种速调管理论的建立;电真空材料及工艺和相关技术方法不断进步;计算机仿真软件获得迅猛发展,速调管的效率、功率、带宽、增益、寿命等性能不断提高,在气象、通信、电台电视广播、导航雷达和电子对抗等领域获得了广泛的应用。扩展互作用速调管同时具备行波管和速调管的优点,是具有一定带宽的高功率、高效率的微波大功率器件。近来,一种适合于小型化高功率真空电子器件的超材料被提出,加载此超材料的返波管具有小型化、高效率的特性也已经被验证。本论文将采用这种适合于小型化高功率真空电子器件的超材料,设计扩展互作用速调管。将超材料应用于扩展互作用速调管具有很大的前景,可能对速调管的小型化以及进一步提高速调管的效率起到推动作用。
  本论文设计了一种加载超材料的S波段扩展互作用速调管,并对其进行了注波互作用研究。首先介绍了扩展互作用速调管的提出及发展过程,接着系统地介绍了速调管的工作原理,包括:速度调制、密度调制以及输出腔能量交换过程,最后给出速调管的设计过程:
  1、结合双间隙耦合腔速调管理论,设计了加载新型超材料单元的扩展互作用谐振腔,并利用电磁模拟软件CST对其参数进行了优化。扩展互作用谐振腔的固有品质因数为1956.4、谐振频率为2.09GHz、特性阻抗为115.1;
  2、根据扩展互作用谐振腔参数,计算得到电子注的工作点并设计了聚焦系统。采用同轴线作为输入输出腔的耦合结构,对输入耦合腔进行PIC仿真,通过优化耦合结构的参数使高频间隙电压最大,电子与电场的互作用程度达到最强;
  3、计算EIK的最佳群聚距离,优化输出谐振腔耦合结构,最终得到整管长度约为14.93cm,在电子注电压为11.3kV,电子注电流为1.2A,输入信号功率为32W时,峰值输出电压 Vout=56V,输出信号幅值是输入信号的7倍;输出功率Pout=1.568kW,增益G=16.9dB,电子注直流功率Pd=13.56kW,电子效率?=11.6%。最后仿真得到速调管输出功率、增益和效率随不同工作参数变化的变化趋势。
[硕士论文] 陈凯方
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于高精度雷达、卫星通讯、电子对抗等方面的不断发展,要求微波电真空器件的频率不断进行提高。W波段电磁波处于微波大气窗口,同时具有微波和红外线的优点,如穿透性强、信号分辨率高、旁瓣低而难以被截获等优点,具有广泛的应用空间,从而W波段的微波管越来越引起相关研究者的关注。
  本文研究的对象是大功率W波段(91-97GHz)的折叠波导行波管及其关键技术。折叠波导相比于螺旋线慢波结构,在散热性和功率容量方面具有非常明显的优势,相比于耦合腔慢波结构,其工作带宽要宽很多,而且有工艺简单、装配方便等优点。
  本文对设计该行波管的主要过程进行了详细介绍,内容主要包括:
  对电子光学系统的理论进行了详细介绍。包括电子枪和聚焦系统的工作原理和理论计算,并利用ORION、HFSS等主要仿真软件来分别进行建模,经过不断的参数优化,最终给出了满足要求的仿真结果。
  对行波管的核心部分:折叠波导慢波线进行了详细的介绍。通过等效电路的方法分析慢波线的高频特性,在此基础上结合仿真结果详细说明了慢波线各个尺寸参数对其高频特性的影响,仿真结果显示设计的慢波线在效率和带宽等方面符合我们的需要。
  输能装置和衰减器的设计。介绍了盒型窗、过渡波导、衰减器的设计原则,盒型窗采用蓝宝石作为窗片材料,过渡波导采用双曲渐变结构来设计,衰减器则采用新设计的E面渐变楔形结构。从仿真得到的结果来看,各部件的的VSWR都在合理的范围内。
  效率提高关键技术的介绍。分别分析了用于提高行波管效率的相速渐变技术和多级降压收集极技术的相关理论。根据其理论重新设计了采用相速渐变技术的慢波线,并通过仿真验证了该技术对效率提高的有效性;在原有二级降压收集极的基础上设计出了2种不同结构的四级降压收集极。仿真结果表明,新设计的四级降压收集极使收集极效率有了明显的提高。
  展示了最终制造的行波管及其各部件的实物图,给出了其测试结果,并对测试结果进行了分析。
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