高功率毫米波回旋速調(diào)放大器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高功率毫米波真空電子器件，在軍事、民用等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的真空電子器件，如行波管和速調(diào)管等，由于受結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理等各種因素的限制，工作在毫米波段遇到了極大的困難。另一方面以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的一般激光器件也難以在此波段有效地工作。而以電子回旋諧振受激輻射為機(jī)理的回旋管器件，能在此波段以多種方式產(chǎn)生高脈沖功率與連續(xù)波功率。回旋速調(diào)放大器作為回旋管器件家族中重要的成員，以其高增益、高效率、高功率以及有一定的帶寬，在毫米波雷達(dá)、通訊、

2、受控核聚變、材料處理等方面有廣泛的應(yīng)用前景，因而在國(guó)際上倍受重視。
　　本學(xué)位論文對(duì)高功率毫米波回旋速調(diào)放大器的輸入系統(tǒng)、高頻腔體系統(tǒng)、輸出窗、注-波互作用分析、熱測(cè)實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。
　　第2章利用等效網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)回旋速調(diào)放大器的輸入窗進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。再利用三維高頻分析軟件 HFSS進(jìn)行精確仿真，設(shè)計(jì)出了寬帶低反射的高性能的輸入窗。同時(shí)建立了回旋速調(diào)放大器輸入耦合器的近似分析模型，通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算得到輸入耦合器的

3、初步結(jié)構(gòu)和尺寸，然后利用HFSS軟件進(jìn)行優(yōu)化，完成回旋速調(diào)放大器高模式純度輸入耦合器的設(shè)計(jì)。
　　第3章利用模匹配理論，將突變結(jié)構(gòu)兩側(cè)橫向電場(chǎng)用模式函數(shù)展開(kāi)，在介質(zhì)邊界及突變處進(jìn)行場(chǎng)匹配，推導(dǎo)出加載和未加載損耗介質(zhì)的突變結(jié)構(gòu)兩側(cè)場(chǎng)的展開(kāi)系數(shù)的線性方程組，求解此方程組確定展開(kāi)系數(shù)，得到突變兩邊的場(chǎng)分布。最后，在理論分析的基礎(chǔ)上，編制了輸入腔、群聚腔、輸出腔的高頻分析計(jì)算程序。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，給出了輸入腔、群聚腔、輸出腔的設(shè)計(jì)方案，再通

4、過(guò)HFSS高頻分析軟件和冷測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，使高頻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)試更加靈活方便。
　　第4章首先利用場(chǎng)匹配理論建立傳輸級(jí)聯(lián)矩陣的方法對(duì)多層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗進(jìn)行解析分析計(jì)算。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和HFSS高頻仿真軟件仿真，給出了Ka波段和W波段雙層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗的設(shè)計(jì)方案。在Ka波段設(shè)計(jì)出S21參數(shù)大于-0.1dB的帶寬大于4GHz的高性能雙層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗；在 W波段設(shè)計(jì)出S21參數(shù)大于-0.1dB的帶寬大于10

5、GHz的高性能雙層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗。同時(shí)研究了輸出窗尺寸參數(shù)小范圍變化對(duì)輸出窗傳輸特性的影響。其次，對(duì)輸出窗進(jìn)行了熱分析研究，給出了一種中間風(fēng)冷的新型雙層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗設(shè)計(jì)方案，該結(jié)構(gòu)輸出窗不僅能提高輸出窗傳輸特性，而且能夠有效提高輸出窗的功率容量。以上的分析計(jì)算與仿真為回旋速調(diào)放大器或回旋行波管輸出窗的設(shè)計(jì)提供了的理論和技術(shù)支撐。
　　第5章在注-波互作用自洽非線性理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的數(shù)值計(jì)算，研究了電子注參數(shù)、輸入功率

6、、外部磁場(chǎng)等對(duì)輸出功率、效率、增益等的影響。在高頻計(jì)算和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合考慮整管的增益、效率、帶寬、輸出功率等性能指標(biāo)，給出了一支34GHz、TE01模、4腔和一支94.4GHz、TE01模、4腔基波回旋速調(diào)管放大器的設(shè)計(jì)參數(shù)和理論計(jì)算結(jié)果。同時(shí)根據(jù)以上的設(shè)計(jì)參數(shù)建立了回旋速調(diào)管放大器粒子模擬模型，進(jìn)行注-波互作用粒子模擬分析，對(duì)注-波互作用中的一些物理現(xiàn)象進(jìn)行分析。同時(shí)將粒子模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者總體趨勢(shì)還是吻合

7、的較好。為研制高功率回旋速調(diào)放大器奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　第6章首先介紹了熱測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)的組成和各分系統(tǒng)的作用，其次給出了熱測(cè)實(shí)驗(yàn)的操作順序和方法。最后對(duì)研制的一支回旋速調(diào)放大器樣管進(jìn)行了熱測(cè)。經(jīng)熱測(cè)，在注電壓為70KV、電流為11A、第一陽(yáng)極電壓28KV、輸入功率為20W、磁場(chǎng)強(qiáng)度1.31T、中心頻率34GHz的條件下得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：峰值功率301kW、平均功率大于6kW、增益41.8dB、效率39.1％、3dB帶寬大于280MH