Ku波段低磁場同軸渡越時間振蕩器的研究.pdf

1、受通訊、雷達、遙感等眾多領域對 Ku波段高功率微波潛在的應用需求，Ku波段高功率微波源技術的研究成為了當前高功率微波領域的研究熱點。然而，對于傳統(tǒng)的單模高功率微波源，隨著微波頻率的提高，器件的尺寸將逐步減小，因而在Ku波段，較小的作用空間使器件功率容量受到限制，造成了目前傳統(tǒng)單模高功率微波源在Ku波段輸出微波功率較低的現(xiàn)狀。雖然采用具有過模結構的多波契倫科夫器件等高功率微波源可有效解決功率容量限制的問題，但是受其驅動電壓高、引導磁場強、

2、模式控制復雜的影響，嚴重限制了該類器件的實用性及應用前景。因此需要探索具有功率容量高、驅動電壓適中、引導磁場低、工作模式相對單一的新型Ku波段高功率微波源來滿足未來應用的需求。在此背景下，本文提出并設計了一種可工作在重頻及長脈沖條件下的新型Ku波段同軸渡越時間振蕩器。在低引導磁場、適中驅動電壓條件下，該器件可輸出GW級Ku波段的單模高功率微波。論文的研究內容主要包括了以下幾個方面：
　　首先，對同軸渡越結構的相關理論及特性進行了系

3、統(tǒng)的研究。對比分析了同軸結構與非同軸結構的空間電荷特性，結果表明，采用同軸結構可以有效降低空間電勢能、提高空間極限電流，有利于降低器件的工作阻抗、引導磁場及提高束波轉換效率。通過同軸諧振腔高頻特性的理論研究，得到了提高功率容量、實現(xiàn)體波工作以及近似求解 N腔級聯(lián)諧振腔諧振頻率的方法。分別采用電子渡越諧振腔間隙的小信號理論及等效電路理論對調制腔的模式選擇及輸出腔的工作特性進行了研究，為器件的結構設計提供理論依據。
　　其次，從渡越器

4、件的電子束與射頻場互作用產生微波的基本原理出發(fā)，結合低磁場導引的高頻段器件對器件設計的要求，提出了一種新型的Ku波段低磁場同軸渡越時間振蕩器，闡述了器件各單元的設計思想；重點對新型調制腔、前置反射腔及新型電子束收集極的作用進行了深入的分析，并對實現(xiàn)Ku波段器件在更低磁場條件下有效運行的方法進行了理論探索及論證，從物理上闡述了本論文提出的新器件在低引導磁場條件下實現(xiàn)Ku波段高功率微波輸出的可行性。
　　再次，論文采用粒子模擬程序對器

5、件產生Ku波段高功率微波的機制進行了深入的系統(tǒng)研究，給出了束波相互作用過程中的詳細物理圖像。經優(yōu)化，在引導磁場0.7 T，電壓410 kV，電流8 kA的條件下，模擬得到了功率1 GW，頻率為14.2 GHz的Ku波段高功率微波輸出，轉換效率約30％。為了準確對實驗結果進行預測，還通過結合實驗條件開展了對器件的模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)器件輸出功率及頻率與理想情況下基本一致。此外，還對更低引導磁場條件下器件的有效工作進行了探索，通過引入改進結構

6、的陰極，使器件在0.3 T條件下，可輸出功率為920 MW，頻率為14.2 GHz的高功率微波，證明了器件在更低磁場（0.3 T）條件下有效運行的可行性。
　　在完成 Ku波段低磁場同軸渡越時間振蕩器實驗相關的工程設計后，在Torch01驅動源平臺上開展了實驗研究，在引導磁場0.7 T、二極管電壓430 kV、電流8.3 kA條件下，可輸出微波功率約790 MW,頻率為14.3 GHz，脈寬26 ns，效率約22%。當進一步提高器

7、件注入功率，在二極管電壓500 kV、電流10 kA、磁場0.7 T條件下，輸出功率約1 GW，證明了器件在低引導磁場條件下輸出GW級高功率微波的能力。另外，還重點對器件內部非對稱模式的激勵與抑制問題進行了分析和討論，并對新型電子束收集對于抑制非對稱競爭模式的作用進行了實驗研究，研究表明采用新型電子束收集極可有效抑制器件內部的非對稱模式。
　　最后，對Ku波段同軸渡越時間振蕩器進行了拓展研究。在本論文所設計的器件的基礎上，通過引入

8、具有高反射系數的新型TM02模雙諧振腔及在輸出腔前加載諧振腔來提高器件的束波轉換效率及降低器件的飽和時間。粒子模擬研究表面，改進后的低磁場同軸渡越時間振蕩器在二極管電壓380 kV，電流8.2 kA，引導磁場0.7 T的條件下，輸出微波功率約1.15 GW，效率約37%，與改進前器件相比，該改進器件的轉換效率得到較大幅度的提高；對改進前后器件的飽和時間進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)在輸出腔前引入諧振腔后，微波飽和時間得到了明顯下降。另外，還基于同