Ku波段低磁場(chǎng)同軸渡越時(shí)間振蕩器的研究.pdf

1、受通訊、雷達(dá)、遙感等眾多領(lǐng)域?qū)?Ku波段高功率微波潛在的應(yīng)用需求，Ku波段高功率微波源技術(shù)的研究成為了當(dāng)前高功率微波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，對(duì)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(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)電壓高、引導(dǎo)磁場(chǎng)強(qiáng)、

2、模式控制復(fù)雜的影響，嚴(yán)重限制了該類器件的實(shí)用性及應(yīng)用前景。因此需要探索具有功率容量高、驅(qū)動(dòng)電壓適中、引導(dǎo)磁場(chǎng)低、工作模式相對(duì)單一的新型Ku波段高功率微波源來滿足未來應(yīng)用的需求。在此背景下，本文提出并設(shè)計(jì)了一種可工作在重頻及長(zhǎng)脈沖條件下的新型Ku波段同軸渡越時(shí)間振蕩器。在低引導(dǎo)磁場(chǎng)、適中驅(qū)動(dòng)電壓條件下，該器件可輸出GW級(jí)Ku波段的單模高功率微波。論文的研究?jī)?nèi)容主要包括了以下幾個(gè)方面：
　　首先，對(duì)同軸渡越結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論及特性進(jìn)行了系

3、統(tǒng)的研究。對(duì)比分析了同軸結(jié)構(gòu)與非同軸結(jié)構(gòu)的空間電荷特性，結(jié)果表明，采用同軸結(jié)構(gòu)可以有效降低空間電勢(shì)能、提高空間極限電流，有利于降低器件的工作阻抗、引導(dǎo)磁場(chǎng)及提高束波轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)體波工作以及近似求解 N腔級(jí)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(hào)理論及等效電路理論對(duì)調(diào)制腔的模式選擇及輸出腔的工作特性進(jìn)行了研究，為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　其次，從渡越器

4、件的電子束與射頻場(chǎng)互作用產(chǎn)生微波的基本原理出發(fā)，結(jié)合低磁場(chǎng)導(dǎo)引的高頻段器件對(duì)器件設(shè)計(jì)的要求，提出了一種新型的Ku波段低磁場(chǎng)同軸渡越時(shí)間振蕩器，闡述了器件各單元的設(shè)計(jì)思想；重點(diǎn)對(duì)新型調(diào)制腔、前置反射腔及新型電子束收集極的作用進(jìn)行了深入的分析，并對(duì)實(shí)現(xiàn)Ku波段器件在更低磁場(chǎng)條件下有效運(yùn)行的方法進(jìn)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(dǎo)磁場(chǎng)條件下實(shí)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?qū)ζ?/p>

5、件產(chǎn)生Ku波段高功率微波的機(jī)制進(jìn)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(xì)物理圖像。經(jīng)優(yōu)化，在引導(dǎo)磁場(chǎng)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(zhuǎn)換效率約30％。為了準(zhǔn)確對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，還通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件開展了對(duì)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(duì)更低引導(dǎo)磁場(chǎng)條件下器件的有效工作進(jìn)行了探索，通過引入改進(jìn)結(jié)構(gòu)

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(chǎng)（0.3 T）條件下有效運(yùn)行的可行性。
　　在完成 Ku波段低磁場(chǎng)同軸渡越時(shí)間振蕩器實(shí)驗(yàn)相關(guān)的工程設(shè)計(jì)后，在Torch01驅(qū)動(dòng)源平臺(tái)上開展了實(shí)驗(yàn)研究，在引導(dǎo)磁場(chǎng)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(dāng)進(jìn)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(chǎng)0.7 T條件下，輸出功率約1 GW，證明了器件在低引導(dǎo)磁場(chǎng)條件下輸出GW級(jí)高功率微波的能力。另外，還重點(diǎn)對(duì)器件內(nèi)部非對(duì)稱模式的激勵(lì)與抑制問題進(jìn)行了分析和討論，并對(duì)新型電子束收集對(duì)于抑制非對(duì)稱競(jìng)爭(zhēng)模式的作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明采用新型電子束收集極可有效抑制器件內(nèi)部的非對(duì)稱模式。
　　最后，對(duì)Ku波段同軸渡越時(shí)間振蕩器進(jìn)行了拓展研究。在本論文所設(shè)計(jì)的器件的基礎(chǔ)上，通過引入

8、具有高反射系數(shù)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(zhuǎn)換效率及降低器件的飽和時(shí)間。粒子模擬研究表面，改進(jìn)后的低磁場(chǎng)同軸渡越時(shí)間振蕩器在二極管電壓380 kV，電流8.2 kA，引導(dǎo)磁場(chǎng)0.7 T的條件下，輸出微波功率約1.15 GW，效率約37%，與改進(jìn)前器件相比，該改進(jìn)器件的轉(zhuǎn)換效率得到較大幅度的提高；對(duì)改進(jìn)前后器件的飽和時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在輸出腔前引入諧振腔后，微波飽和時(shí)間得到了明顯下降。另外，還基于同