X波段三軸速調(diào)管放大器研究.pdf

1、相干功率合成是目前高功率微波技術(shù)發(fā)展的重要方向。相對(duì)論速調(diào)管放大器作為核心器件受到廣泛關(guān)注。然而，受功率容量的限制，目前主要研究集中在 S波段等低頻段。為滿足高pf2因子的要求，亟待發(fā)展高頻段、高功率、長(zhǎng)脈沖的相對(duì)論速調(diào)管放大器。本文采用三軸速調(diào)管放大器（TKA）技術(shù)路線，重點(diǎn)解決了X波段TKA同軸互作用諧振腔設(shè)計(jì)、TEM模隔離、非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模式自激振蕩抑制等關(guān)鍵問(wèn)題，研制出具有高功率、長(zhǎng)脈沖潛力的X波段TKA，為發(fā)展更高頻段的高功率微波

2、放大器提供參考。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　1.基于單電子運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，分析了同軸諧振腔的電子束耦合系數(shù)和電子束負(fù)載電導(dǎo)，獲得了同軸諧振腔有別于空心諧振腔的電子束負(fù)載特性。利用電子束耦合系數(shù)和衰減因子，修正了相對(duì)論電子束與TKA輸入腔作用的小信號(hào)理論，獲得電子束與輸入腔作用后的最大基波電流和最佳群聚距離。研究了預(yù)調(diào)制電子束在同軸波導(dǎo)中群聚的大信號(hào)理論，獲得電子束在同軸波導(dǎo)中的速度和密度調(diào)制特性。
　　2.研究并設(shè)計(jì)了雙

3、端口饋入式同軸輸入腔、三間隙同軸群聚腔、單間隙和雙間隙輸出腔。利用兩個(gè)矩形波導(dǎo)注入端口，設(shè)計(jì)了角向均勻性達(dá)92％的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱同軸輸入腔結(jié)構(gòu)。提出非均勻三間隙群聚腔結(jié)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的高效調(diào)制，又能實(shí)現(xiàn)低的TEM模泄漏功率。對(duì)單、雙間隙輸出腔進(jìn)行了比較研究，在輸出功率約為1GW條件下，雙間隙輸出腔的最大結(jié)構(gòu)表面軸向電場(chǎng)為560 kV/cm，比單間隙輸出腔降低約37%。
　　3.對(duì)TEM模式泄漏進(jìn)行了深入系統(tǒng)的理論和仿真研究。針對(duì)

4、同軸波導(dǎo)涂覆衰減材料隔離TEM模式泄漏的局限性，提出采用兩個(gè)不同本征頻率的TEM模反射器隔離TEM模式泄漏的方法。當(dāng)注入功率為100 kW、輸出功率為1.04 GW時(shí)，群聚腔向輸入腔泄漏的功率約為50 kW，為群聚腔內(nèi)最大反向功率的0.35‰，輸出腔向群聚腔泄漏的TEM模功率約為2.5 MW，是輸出腔內(nèi)最大反向功率的0.2%，隔離效果顯著。
　　4.深入分析了TKA中非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模式自激振蕩產(chǎn)生機(jī)制和抑制方法。結(jié)果表明，非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模

5、式產(chǎn)生于三間隙群聚腔內(nèi)，而群聚腔和輸入腔之間的同軸波導(dǎo)為自激振蕩的增長(zhǎng)提供了正向反饋通道。提出采用諧振腔反射器和同軸波導(dǎo)開(kāi)縫結(jié)構(gòu)抑制TKA中非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模式自激振蕩的方法。
　　5.利用等效電路法和粒子模擬方法，研究了諧振腔高頻特性對(duì)器件相移特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，高Q0值的群聚腔的諧振頻率能顯著影響器件的相移。
　　6.利用粒子模擬方法，對(duì) X波段 TKA的整管工作特性進(jìn)行了研究。當(dāng)電子束電壓為570 kV、電流6.5 k

6、A時(shí)，在輸入微波頻率為9.375 GHz、功率為100 kW條件下，獲得了功率約1 GW微波輸出。轉(zhuǎn)換效率和器件增益分別為29%和40 dB，輸出微波的相位抖動(dòng)小于3°，輸出功率3 dB帶寬大于50 MHz。采用單一變量法，研究了高頻結(jié)構(gòu)參數(shù)、注入微波參數(shù)、電子束參數(shù)及導(dǎo)引磁場(chǎng)強(qiáng)度等對(duì)TKA輸出特性的影響。結(jié)果表明，除內(nèi)外導(dǎo)體的軸向錯(cuò)位外，其他參數(shù)不會(huì)顯著改變器件的工作特性。
　　7.對(duì) X波段 TKA進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。冷測(cè)結(jié)果表明

7、，輸入腔諧振頻率為9.375GHz，Qe值約為120；群聚腔的諧振頻率為9.42 GHz，Q0值為493；輸出腔的諧振頻率為9.375 GHz，Qe值約為45。在注入功率為90 kW、頻率為9.37GHz條件下，獲得了功率約240 MW、脈寬約100 ns的微波輸出。實(shí)驗(yàn)功率與模擬功率的顯著差別主要來(lái)源于輸入腔對(duì)注入微波的損耗。采用9.37 GHz、Qe值為309的改進(jìn)型輸入腔，在注入功率為50 kW、頻率為9.38 GHz條件下，實(shí)驗(yàn)