復合型高功率微波產(chǎn)生器件的研究.pdf

1、隨著高功率微波(High-Power Microwave, HPM)技術(shù)的不斷發(fā)展，HPM領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個新興的研究發(fā)展方向，即復合型高功率微波產(chǎn)生器件。因為它不僅可以輸出單頻、雙頻或者雙波段HPM微波，還具有進一步提高器件功率效率的潛力，將為HPM技術(shù)的進一步應用奠定基礎(chǔ)。目前，復合型磁絕緣線振蕩器和復合型相對論返波振蕩器是國內(nèi)外研究人員較為關(guān)注的兩種器件。因此，本文對復合型磁絕緣線振蕩器和復合型相對論返波振蕩器分別開展了較為全面、深

2、入的研究，包括理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和粒子模擬研究。
　　本文的研究內(nèi)容主要包括：
　　1.提出了復合型磁絕緣線振蕩器(Magnetically Insulated transmission Line Oscillator, MILO)的物理思想，闡述了技術(shù)方案和工作原理。該復合型 MILO由MILO-1和 MILO-2兩部分組成， MILO-2是作為 MILO-1的負載，進一步利用MILO-1的負載電流產(chǎn)生高功率微波，從而提高

3、功率效率。
　　2.對MILO進行了初步理論研究。解析推導了熱腔同軸慢波結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，并在冷腔中數(shù)值求解了色散曲線，通過與不同電磁場模擬軟件仿真結(jié)果的對比，驗證了色散關(guān)系理論推導結(jié)果的正確性，并分析了慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對冷腔色散曲線的影響；通過等效電路法，求解出傳統(tǒng)MILO和介質(zhì)填充MILO諧振頻率的具體表達式，并利用仿真軟件進行了驗證。
　　3.利用仿真軟件對本文提出的復合型磁絕緣線振蕩器進行了模擬研究，分析了二極管電壓、

4、慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)、扼流葉片參數(shù)、提取區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)、聚焦陰極等參數(shù)對器件輸出性能的影響。
　　4.通過對器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，得到了一個雙頻復合型 MILO。仿真中，在輸入電壓為680 kV，電流為69.4 kA，輸入電功率為47.3 GW的條件下，MILO-1輸出微波功率為8.5 GW，微波頻率為1.717 GHz；MILO-2輸出微波功率為3.9 GW,微波頻率為4.167 GHz。復合型MILO總的輸出功率為12.4 GW，相應的功率

5、效率為26％。MILO-1單獨的功率效率為18%。針對此模型，復合型MILO的功率效率比MILO-1的功率效率相對提高了46%。
　　5.通過對復合型MILO的進一步分析與優(yōu)化，得到了單頻輸出模型。仿真中，在輸入電壓為630 kV,電流為85.6 kA，輸入電功率為54.167 GW的條件下， MILO-1輸出微波功率為8.0 GW,微波頻率為1.567 GHz；MILO-2輸出微波功率為2.8 GW,微波頻率為1.567 GHz

6、。復合型MILO總的輸出功率為10.8 GW，相應的功率轉(zhuǎn)換效率為20%。MILO-1單獨的功率轉(zhuǎn)換效率為15%。針對此模型，復合型MILO的功率轉(zhuǎn)換效率比MILO-1的功率轉(zhuǎn)換效率相對提高了35%。
　　6.初步研究了一個復合型相對論返波振蕩器(Relativistic Backward Wave Oscillator, RBWO)。復合型 RBWO由第一段 RBWO(F-RBWO)和第二段RBWO(S-RBWO)組成，其中S-

7、RBWO對被F-RBWO利用后的電子束能量進行二次利用以產(chǎn)生高功率微波，從而提高功率效率。仿真中，在輸入電壓為870 kV，電流為13.0 kA，輸入電功率為11.2 GW的條件下，F(xiàn)-RBWO輸出微波功率為3.2 GW，微波頻率為9.225 GHz；S-RBWO輸出微波功率為117 MW，微波頻率為1.000 GHz。復合型MILO總的輸出功率為3.3 GW，相應的功率轉(zhuǎn)換效率為30%。F-RBWO單獨的功率轉(zhuǎn)換效率為29%。針對此模