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行波管作为传统的宽带器件在过去五十年中长期占据通信、雷达、电子战等功率放大市场,包括集中式发射机、一维多波束阵和二维无源相控阵体制的大量军用和民用系统。高功率、高频率、高效率、小型化是行波管发展的重要方向。近年来高频率行波管发展迅速,对生物、化学、物理、工程、天文学等领域的重要性逐渐显现,它的应用也逐渐渗透到社会经济以及国家安全的很多方面。国内近年来发展了一系列的18-50GHz大功率毫米波行波管:40GHz以下主要发展螺旋线慢波结构行波管,40GHz以上重点发展折叠波导慢波结构行波管。随着频率的升高,各种新型慢波结构行波管大量涌入,为电子真空器件向高频率甚至于太赫兹频段迈进奠定了非常好的基础。本学位论文围绕大功率高频率行波管的关键技术进行研究,主要创新点如下:1.研制了100W宽带K波段高效小型化行波管,然后通过功率合成技术实现了宽带K波段功率量级大于200W的目标。这是国内首次应用大功率宽带K波段功率合成技术,优点是速成、可靠性高。满足了通信、电磁兼容、电磁干扰系统对功率量级大于200W的宽带K波段连续波行波管需求。2.开展了宽带毫米波高效率分布设计技术、天线热稳定性技术、高效率收集极设计技术的研究,提高了宽带K波段行波管的输出功率和效率,研制成功了单管250W宽带K波段高效率小型化行波管,其输出功率大于250W,整管效率大于44%。研制成功的单管与国外同类型产品相比:体积减小一倍、输出功率增大100W、整管效率提高10%。3.提出了折叠V形槽波导慢波结构,适合工作在毫米波和太赫兹波段。并设计了94GHz折叠V形槽波导行波管和220GHz折叠V形槽波导行波管,它们都具有高频率、低损耗、大尺寸的特点。同时94GHz折叠V形槽波导行波管输出段采用两次相速负跳变提高了电子效率,拓展了工作带宽。针对94GHz折叠V形槽波导行波管工作参数,设计了一种双阳极结构电子枪。当电子注加载阴极电压16.95kV,阳极电压加载11.5kV时可以获得200mA电流,获得电子注注腰0.16mm,电子注射程15.7mm。4.提出了折叠矩形槽波导的变异结构,通过在直波导段加脊增强电场的方法而得到新型脊加载折叠矩形槽波导慢波结构。设计了340GHz脊加载折叠矩形槽波导行波管和适应这种新型慢波结构的传输波导结构以及整管中合适的衰减器结构。论文中设计的340GHz脊加载折叠矩形槽波导行波管增益在340GHz处,是26.99dB。340GHz脊加载折叠矩形槽波导行波管的3dB带宽范围是335GHz-342GHz,并且在340GHz处平均输出功率达到39W。本论文还对340GHz脊加载折叠矩形槽波导行波管进行了热学和力学分析以验证其可靠性。5.提出了折叠双脊槽波导慢波结构,这种结构能够拓展带宽,适合工作在太赫兹频段,具有高频率、宽频带、大功率等优点。论文据此设计了340GHz折叠双脊槽波导慢波结构行波管,拓宽了太赫兹波带宽。340GHz折叠双脊槽波导行波管输出功率在340GHz处可以达到65.8W。340GHz折叠双脊槽波导行波管的3dB带宽为335GHz-343GHz,增益在340GHz处,是27.21dB。论文还对340GHz折叠双脊槽波导行波管进行热仿真和力学分析以验证其高温环境下散热条件良好及其力学可靠性。