S波段四腔相对论速调管的整管设计

摘要

在高功率微波器件研究中,对任意器件,其输出功率均不可能是无上限的。而当前技术应用和研究中,对功率的需求越来越高。针对这一需求和现状,提出了将多个器件叠加[1]起来的思路。因此受这种叠加思路和高功率需要的影响,速调管在高功率微波器件领域得到了广泛的关注。目前研究的强流相对论速调管普遍采用三腔结构,三腔结构速调管不仅结构简单、易于调节,而且不容易产生振荡,保证了输出微波的稳定性;但缺点是增益有限(~30dB)。为降低工程压力,提高速调管增益,采用的四腔高增益相对论速调管可以满足工程应用的需求,但是面临模式控制的技术问题。论文针对这些问题,对四腔相对论速调管进行了理论分析、粒子模拟和实验研究。并对影响四腔强流相对论速调管输出微波稳定性的因素(如电子回流、高次模振荡)进行详细分析。　　首先,通过空间电荷波理论,详细描述了速调管的束腔互作用过程,分析了速调管的基本工作原理。并利用谐振腔的场建理论,结合速调管输入腔、中间腔、输出腔的不同功能,建立相应的等效电路模型,将束腔互作用过程通过简单的电路知识形象的描述出来。为模拟和实验提供了形象的理论支撑。　　其次,通过粒子模拟完成了四腔强流相对论速调管的设计。根据现有指标对如何适当选取电子束参数(束压、束流、尺寸)以及聚焦磁场进行了详细的分析;完成了输入腔、中间腔及输出腔的设计。并针对模拟过程中出现的影响输出微波稳定的因素进行分析。理论分析了模拟中出现的电子回流及高次模振荡现象的产生原因,探索了抑制措施,并通过模拟进行了验证。为达到既抑制电子回流和高次模振荡又不影响输出微波功率的目的,设计了阶梯结构漂移管。最终频率2.88GHz情况下,注入微波功率为10kW时,模拟获得了3.74GW[1]的输出微波,效率22％,增益56dB,1dB带宽74MHz,成功完成了四腔强流相对论速调管的整管模拟设计。　　最后,在LTD加速器上开展了S波段四腔相对论速调管的实验研究,并采用模拟过程中探索的抑制措施,有效抑制了电子回流及高次模振荡。在注入微波功率为kW级、频率2.88GHz条件下,获得了增益61dB、效率24％、脉宽80 ns的稳定微波输出。

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第一章 绪 论

1.1 高功率微波与高功率微波源的发展现状

1.2 相对论速调管的发展概况

1.3 课题研究意义

1.4 论文的主要内容及创新点

第二章 相对论速调管放大器的理论分析

2.1 相对论速调管调制电流变化过程的分析

2.2 相对论速调管谐振腔的场建过程分析

2.3 本章小结

第三章 相对论速调管中自激振荡的抑制

3.1 相对论速调管中的自激振荡

3.2 电子回流自激振荡的抑制

3.3 高次模振荡的抑制

3.4 本章小结

第四章 四腔相对论速调管整管的设计

4.1 电子束参量的选取

4.2 腔体的模拟设计

4.3 整管模拟设计

4.4 本章小结

第五章 实验研究

5.1 实验系统

5.2 输出微波的测试

5.3 实验研究

5.4 实验结果

5.5 小结

第六章 全文总结及后续工作展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果