作为一类广泛应用在电子对抗、无人机、卫星通信等领域的电真空器件,行波管具有宽频带、高频率、高功率等优势,在军事及民用领域具有重要的应用价值。但随着近年来固态功率放大器的迅猛发展,传统的电真空器件受到了越来越大的竞争压力,这促使了微波功率模块概念的提出。微波功率模块结合了小型化行波管和固态功率放大器的优势,在器件的尺寸、效率、重量等方面有了很大提升。目前,各类军用和民用设备都提出了小型化、集成化的需求,微波功率模块将具有重要的潜在应用价值。螺旋线行波管具有宽频带、高效率和低电压等优势,经过几十年的发展,制造工艺已十分成熟。目前,可见报道的微波功率模块中的电真空功率放大器采用的基本都是螺旋线行波管。但随着微波功率模块向小型化、集成化及高频率方向发展,螺旋线行波管的局限性也显现出来:一是螺旋线行波管是三维结构,难以与前端的固态功率放大器进行一体化设计;二是螺旋线行波管在高频段(>65GHz)尺寸过小,难以加工和装配。因此获得加工工艺简单,体积小,重量轻,能够替代螺旋线行波管的新型电真空器件将有力促进微波功率模块向小型化、集成化和高频段方向发展,这促使了平面行波管概念的提出。平面行波管一般采用微带线慢波结构作为与电子注的互作用电路。微带线慢波结构加工工艺简单,在低频端可以采用印制电路板技术进行规模化生产,在高频端可以方便地采用微细加工工艺加工。作为平面型结构,微带线慢波结构还利于与固态电路集成。但微带线慢波结构也面临着几个难题:1)与螺旋线慢波结构相比,微带线慢波结构的工作带宽有限;2)微带线慢波结构中的工作模式为表面波,较低的耦合阻抗导致微带线型平面行波管的互作用效率较低;3)介质基板的存在导致电荷累积问题;4)与微带线慢波结构互作用的电子注所需的聚焦磁场较大,在实际制管过程中难以实现。针对微带线慢波结构存在的问题,作者以新型平面慢波结构为突破口,从计算机模拟仿真和实验两方面对微带线型慢波结构进行了深入研究,主要工作和创新点如下:1.针对微带线慢波结构带宽较窄的问题,提出了共面波导慢波结构。研究表明,共面波导慢波结构具有十分平坦的色散曲线,设计的Ka波段共面波导平面行波管3dB带宽从微带线平面行波管的5GHz提高到了14GHz,提高了180%。2.针对微带线慢波结构耦合阻抗低的问题,提出了悬置型微带线慢波结构。传统的微带线慢波结构电磁场主要集中在介质基板当中,微带线上方真空腔中的电磁场以表面波的形式存在,导致微带线慢波结构耦合阻抗较低;悬置型微带线慢波结构中的介质基板主要起支撑作用,电磁场集中在介质基板上下两侧的真空腔中,从而可以大大提高平面型慢波结构的耦合阻抗。研究表明,可工作在Ka波段的悬置型微带线慢波结构在35GHz处的耦合阻抗比传统微带线慢波结构提高了86.8%;在34GHz-38GHz范围内,悬置型微带线平面行波管的互作用效率大于10.31%。3.针对电荷累积问题,提出了介质嵌入型微带线慢波结构。所提出的介质嵌入型微带线慢波结构能够在一定程度上避免电荷打上介质,从而为解决电荷累积问题提供了新思路。同时,介质嵌入型微带线慢波结构也具有更高的耦合阻抗,在33GHz-37GHz范围内,介质嵌入型微带线行波管能够产生大于46.8W的饱和输出功率,增益大于21.66dB。4.针对聚焦磁场较大的问题,提出了适用于圆形电子注的卷绕微带线慢波结构。卷绕微带线慢波结构比常规微带线慢波结构具有更高的耦合阻抗,同时其适合与聚焦技术十分成熟的圆形电子注进行互作用。设计的Ka波段卷绕微带线行波管的聚焦磁场从常规微带线行波管的0.6T降低到了0.4T。5.作者还对3D打印工艺在电真空器件中的应用进行了初步探索。分别采用选择性激光烧结技术和熔融沉积制造技术加工了Ka波段正弦波导慢波结构,并对其传输特性及损耗进行了测试分析,探讨了3D打印技术应用在电真空器件中的前景和存在的问题。