高功率毫米波回旋速调放大器关键技术研究

摘要

高功率毫米波真空电子器件，在军事、民用等领域有着重要的应用前景。传统的真空电子器件，如行波管和速调管等，由于受结构、工作机理等各种因素的限制，工作在毫米波段遇到了极大的困难。另一方面以量子效应为基础的一般激光器件也难以在此波段有效地工作。而以电子回旋谐振受激辐射为机理的回旋管器件，能在此波段以多种方式产生高脉冲功率与连续波功率。回旋速调放大器作为回旋管器件家族中重要的成员，以其高增益、高效率、高功率以及有一定的带宽，在毫米波雷达、通讯、受控核聚变、材料处理等方面有广泛的应用前景，因而在国际上倍受重视。
　　本学位论文对高功率毫米波回旋速调放大器的输入系统、高频腔体系统、输出窗、注-波互作用分析、热测实验等进行了详细的研究和分析。
　　第2章利用等效网络理论对回旋速调放大器的输入窗进行了初步设计。再利用三维高频分析软件 HFSS进行精确仿真，设计出了宽带低反射的高性能的输入窗。同时建立了回旋速调放大器输入耦合器的近似分析模型，通过数值分析计算得到输入耦合器的初步结构和尺寸，然后利用HFSS软件进行优化，完成回旋速调放大器高模式纯度输入耦合器的设计。
　　第3章利用模匹配理论，将突变结构两侧横向电场用模式函数展开，在介质边界及突变处进行场匹配，推导出加载和未加载损耗介质的突变结构两侧场的展开系数的线性方程组，求解此方程组确定展开系数，得到突变两边的场分布。最后，在理论分析的基础上，编制了输入腔、群聚腔、输出腔的高频分析计算程序。通过数值计算，给出了输入腔、群聚腔、输出腔的设计方案，再通过HFSS高频分析软件和冷测实验进行优化设计和验证，大大缩短了设计周期，使高频结构的设计和调试更加灵活方便。
　　第4章首先利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层窗片结构输出窗进行解析分析计算。通过数值计算和HFSS高频仿真软件仿真，给出了Ka波段和W波段双层窗片结构输出窗的设计方案。在Ka波段设计出S21参数大于-0.1dB的带宽大于4GHz的高性能双层窗片结构输出窗；在 W波段设计出S21参数大于-0.1dB的带宽大于10GHz的高性能双层窗片结构输出窗。同时研究了输出窗尺寸参数小范围变化对输出窗传输特性的影响。其次，对输出窗进行了热分析研究，给出了一种中间风冷的新型双层窗片结构输出窗设计方案，该结构输出窗不仅能提高输出窗传输特性，而且能够有效提高输出窗的功率容量。以上的分析计算与仿真为回旋速调放大器或回旋行波管输出窗的设计提供了的理论和技术支撑。
　　第5章在注-波互作用自洽非线性理论分析的基础上，进行了大量的数值计算，研究了电子注参数、输入功率、外部磁场等对输出功率、效率、增益等的影响。在高频计算和数值计算的基础上，综合考虑整管的增益、效率、带宽、输出功率等性能指标，给出了一支34GHz、TE01模、4腔和一支94.4GHz、TE01模、4腔基波回旋速调管放大器的设计参数和理论计算结果。同时根据以上的设计参数建立了回旋速调管放大器粒子模拟模型，进行注-波互作用粒子模拟分析，对注-波互作用中的一些物理现象进行分析。同时将粒子模拟结果与理论计算结果进行了对比，两者总体趋势还是吻合的较好。为研制高功率回旋速调放大器奠定了技术基础。
　　第6章首先介绍了热测平台系统的组成和各分系统的作用，其次给出了热测实验的操作顺序和方法。最后对研制的一支回旋速调放大器样管进行了热测。经热测，在注电压为70KV、电流为11A、第一阳极电压28KV、输入功率为20W、磁场强度1.31T、中心频率34GHz的条件下得到以下实验结果：峰值功率301kW、平均功率大于6kW、增益41.8dB、效率39.1％、3dB带宽大于280MHz，实验结果与设计方案吻合较好。

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第一章 绪论

1.1毫米波的主要特点

1.2高功率毫米波的应用

1.3 高功率毫米波回旋速调放大器

1.4 本学位论文的主要工作及意义

第二章 输入系统的研究

2．1输入窗研究

2．2输入耦合器研究

第三章 回旋速调放大器高频腔体的研究

3.1 输入腔、输出腔的研究

3.2群聚腔的研究

第四章 输出窗的研究

4.1输出窗的设计

4.2输出窗的热分析

第五章 回旋速调放大器注-波互作用分析与粒子模拟

5.1注-波互作用自洽非线性理论

5.2 数值计算与分析

5.3粒子模拟

第六章 热测实验

6.1热测平台

6.2整管的热测实验

第七章 总结和展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果