相对论磁控管多端口输出特性研究

摘要

相对论磁控管是一种重要的高功率微波源，它普遍应用在雷达、电子对抗、拒止武器、工业等相关系统。它采用爆炸发射阴极，可以轻易获得GW以上输出功率。然而，在实际应用中，相对论磁控管存在几方面不足，限制了其应用。首先，尽管相对论磁控管工作原理与普通磁控管相同，只是相对论磁控管的工作电压和工作电流更大，但其工作效率通常在百分之二十以下，远小于普通磁控管百分之八十的工作效率，造成了资源的浪费。其次，相对论磁控管的输出功率可达GW以上，对输出天线的功率容量要求很高，因此人们通常采用喇叭天线作为其输出天线但仍不能很好的满足要求。为了提高相对论磁控管的工作效率以及减少单根天线的功率容量要求，采用多端口输出成为一个可行的方案。本文将对相对论磁控管多端口输出特性进行理论和实验研究。 早期的研究认为，随着输出端口的增加，相对论磁控管的输出功率会呈线性增加而不会使其频率发生偏移。事实上，随着输出端口的增加，相对论磁控管的高频结构发生了变化，这不仅会对相对论磁控管的有载Q值产生影响，而且也会导致其工作频率发生漂移。 本文首先通过电磁仿真软件研究了相对论磁控管的谐振模式、工作区间，接着计算了 1-6个输出端口时相对论磁控管的输出功率、工作频率以及有载Q值。研究表明多端口对称输出时，管子可以得到稳定的输出，非对称输出结构会导致起振过慢、竞争激烈、输出不稳定等现象；随着输出端口的增加，有载Q值会随之降低；输出端口会改变髙频结构，使之从同腔变成异腔，谐振频率会因此改变。为了验证电磁仿真结果，我们对单端口和二端口输出进行了实验论证。实验表明，在工作电压为750KV，输出只有一个端口时，相对论磁控管的输出频率在1.3GHz左右，输出功率为800MW;在两端口对称输出时，输出频率为0.96GHz，总输出功率为1.1GW，输出功率和效率有了明显的增加，但频率下降严重。本文较为详细的对相对论磁控管多端口输出特性进行了研究，弥补了早期相关研究的不足，为相对论磁控管的设计提供了较有价值的参考。

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