X波段自相干高功率微波源的研究

摘要

目前，具有高束波转换效率的高功率微波（HPM）源一般具有较高阻抗，要进一步提高HPM源的单管输出功率不仅要降低器件阻抗并提高功率容量，还要保证工作电流低于空间极限电流。基于以上考虑，该论文提出并研究了 X波段自相干高功率微波源，其特点是能够在一个微波源中同时输出两路锁频锁相的高功率微波。该微波源采用了双同轴环状阴极，能够同时发射内外两束同轴环状电子束，同时驱动内外两个子高功率微波源。其优点在于不仅能够降低整体器件阻抗、提高注入电功率的，又能够使每个子微波源工作在高阻抗状态，保证其工作电流不会超过空间极限电流的限制，有利于提高束波转换效率。此外，由于该微波源包含了两个子微波源，其功率容量也相应得到了较大提升。综上所述，该新型器件有望在单管内实现更高的功率输出。
　　X波段自相干高功率的内外子微波源分别采用多波切伦科夫振荡器（MWCG）和三同轴速调管放大器（TKA）。其整体工作过程如下：内子微波源产生的部分微波通过二极管区泄漏进入外子微波源，作为其注入信号，外子微波源会将该注入信号放大，与内子微波源一起产生两路锁频锁相的高功率微波，而后由功率合成结构合成输出。由于这两路相干合成的微波实际上是在一个微波源中产生，因此该新型微波源称为自相干高功率微波源。
　　论文主要研究内容和结论如下：
　　首先，对内外子微波源分别进行了单独设计与模拟分析。粒子模拟结果显示， MWCG在二极管电压687 kV时，输出微波的平均功率为1.15 GW，输出频率9.68 GHz，功率效率22.8％；TKA在二极管电压650 kV时，输出微波的平均功率为1.58 GW，输出频率为9.68 GHz，功率效率21%，增益22.4 dB。
　　然后，将内外子微波源相结合，并对自相干高功率微波源整体进行了粒子模拟研究。在二极管电压687 kV时，内外子微波源输出微波的平均功率分别为1.20 GW和2.58 GW，频率均为9.72 GHz，功率效率分别为28%和30%，器件整体阻抗36Ω。此外，内外子微波源在30 ns内实现锁频锁相，锁相后频率差波动小于±6 MHz，相位差波动小于±5°，锁相时间超过70 ns。
　　最后，对两路锁频锁相微波进行相干功率合成研究。自相干高功率微波源合成后平均输出功率3.59 GW，频率9.72 GHz，整体功率效率28%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 高功率微波技术简介

1.2 研究背景

1.3 选题依据

1.4 主要研究内容及创新点

第二章 子微波源的设计与模拟研究

2.1 X波段多波切伦科夫振荡器的设计与模拟研究

2.2 X波段三同轴速调管放大器的设计与模拟研究

2.3 本章小结

第三章 自相干高功率微波源的整体设计与模拟研究

3.1 双电子束同轴环状阴极的研究

3.2 外子微波源无注入波导输入腔的设计

3.3 粒子模拟研究

3.4 器件结构优化

3.5 本章小结

第四章 自相干高功率微波源的功率合成研究

4.1 功率合成器设计

4.2 相位调节波导设计

4.3 粒子模拟研究

4.4 自相干高功率微波源长脉冲工作可行性分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作及结论

5.2 今后工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果