70GHz二次諧波倍頻回旋速調(diào)管高頻系統(tǒng)研究.pdf

1、諧波倍頻回旋速調(diào)管能在毫米波、亞毫米波產(chǎn)生高峰值功率,高平均功率,并有一定的帶寬的微波毫米波,而且由于其諧波和倍頻的兩個特性使得它所需的磁場和對輸入信號源的要求大為降低。這使它成為一種容易實現(xiàn)的高功率THz源。在軍事和科研上都具有極其重要的應(yīng)用前景,受到各國的重視,取得了長足的發(fā)展,并迅速成為一種極有潛力的高功率毫米波及THz源。本文利用模式匹配與散射矩陣級聯(lián)的辦法,分析計算了單級和多級突變及漸變結(jié)構(gòu)的模式耦合與轉(zhuǎn)化。結(jié)合高頻計算軟件H

2、FSS設(shè)計了70GHz二次諧波倍頻四腔回旋速調(diào)管的高頻結(jié)構(gòu),包括輸入腔,漂移段,群聚腔和輸出腔。研究了TE02模腔體繞射與模式轉(zhuǎn)化問題,有效解決了諧波TE02模工作時,由于漂移段不能截止70GHz的TE01模而引發(fā)的一系列問題。利用HFSS對回旋速調(diào)管輸入耦合器和回旋行波管輸入耦合器進行了仿真與優(yōu)化。提出了一種理論與軟件模擬計算相結(jié)合的辦法,有效的解決了輸入耦合器內(nèi)腔模式純度的計算問題。研究了回旋速調(diào)管輸入耦合器的耦合縫的分布形式、幾何

3、參數(shù)及個數(shù)對內(nèi)腔模式純度和耦合效率的影響。利用軌道理論對回旋速調(diào)管的輸出腔進行了非線性非自洽的計算,并進行了優(yōu)化。結(jié)果表明恰當(dāng)?shù)念A(yù)群聚可以有效地提高互作用效率,而且即使二次諧波工作也能達到很高的互作用效率。建立了70GHz二次諧波倍頻四腔回旋速調(diào)管的PIC計算模型,并進行了模擬計算和優(yōu)化。研究輸入功率和頻率、電子電流、電子橫縱速度比和縱向磁場強度等參數(shù)對輸出功率、增益、效率的影響。通過優(yōu)化得到了中心頻率69.81GHz的二次諧波倍頻四腔

4、回旋速調(diào)管放大器設(shè)計方案。粒子模擬表明:在工作電壓70kV,注電流13A,電子注橫向與縱向速度比為1.5,輸入功率約10W時,輸出功率256kW,帶寬160MHz,電子效率28％,飽和增益44dB。為配合課題研究需要,對基波TE01模和基波TE02模四腔回旋速調(diào)管進行了PIC模擬計算。對TE01模在工作電壓70kV,注電流12A,電子注橫向與縱向速度比為1.5,輸入功率約10W時,輸出功率406kW,電子效率48.3%,飽和增益約46d

5、B,絕對帶寬約為650MHz,相對帶寬1.9%。對TE02模在工作電壓70kV,注電流20A,電子注橫向與縱向速度比為1.5,輸入功率約12W時,輸出功率708kW,電子效率50.6%,飽和增益約47dB,絕對帶寬約為510MHz,相對帶寬1.5%。本文在大量閱讀和研究國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上,在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下,對基波和諧波倍頻回旋速調(diào)管進行創(chuàng)新性研究,取得了如下的一些新成果和新結(jié)論。對回旋速調(diào)管的設(shè)計研究具有重要的意義。1.對工作模為

6、TE02模的群聚腔繞射Q值隨腔長成準(zhǔn)周期性變化的研究。研究表明TE02模與TE01模群聚腔相比,端面處的相位和幅值以及繞射Q值和模式轉(zhuǎn)化都有很大不同,且TE02模群聚腔繞射Q值隨腔長的變化成準(zhǔn)周期性變化。并由此特點成功解決了二次諧波回旋速調(diào)管漂移段不能截止工作頻率的TE01模,從而引起的腔體間高頻串?dāng)_的問題。這種研究對基波TE02模工作也有相當(dāng)大的價值。2.對回旋速調(diào)管輸入耦合器模式純度的研究,提出了一種模式純度計算方法?；匦僬{(diào)管輸入

7、耦合器國內(nèi)外都有相關(guān)研究和報道,但對模式純度只是一些定性的分析。本文首次提出了一種模式純度計算方法,并對回旋速調(diào)管輸入耦合器模式純度進行定量計算,并對耦合縫的分布及幾何參數(shù)等參量的變化對輸入耦合器的模式純度、頻率、Q值和內(nèi)腔儲能等進行研究,成功設(shè)計了基波回旋速調(diào)管輸入耦合器,并進行了試驗冷測,結(jié)果基本一致。3.對預(yù)群聚電子注輸出腔注波互作用的優(yōu)化研究。利用非線性非自洽注波互作用理論優(yōu)化計算,研究了預(yù)群聚基波和二次諧波輸出腔注波互作用。進