同軸型準(zhǔn)光腔短毫米波輻射源的研究.pdf

1、現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微波管頻帶寬度、效率以及功率等性能提出了越來(lái)越高的要求。波長(zhǎng)在3mm～1mm范圍內(nèi)的短毫米波具有非常重要的開(kāi)發(fā)價(jià)值。短毫米波高功率微波輻射源將會(huì)在成像雷達(dá)，精確制導(dǎo)，成像透視，生物武器的探測(cè)以及電磁波武器等方面有著重要的應(yīng)用前景。這些研究和應(yīng)用都需要有性能良好的輻射源，這也是目前高功率微波向短毫米波波段發(fā)展的關(guān)鍵。開(kāi)放式準(zhǔn)光腔，其頻譜密度大體是一個(gè)常數(shù)，在工作波長(zhǎng)很短的情況下有較大尺寸和較高品質(zhì)因數(shù)，并可工作在高次

2、模式。這些優(yōu)點(diǎn)使基于開(kāi)放式準(zhǔn)光腔的電真空輻射源在短毫米波和亞毫米波段具備更大功率潛力。本文從理論出發(fā)，并借助于粒子模擬，對(duì)中心有圓柱光柵結(jié)構(gòu)的同軸型準(zhǔn)光腔的高頻特性，以及環(huán)形電子注通過(guò)此系統(tǒng)激勵(lì)短毫米波的物理過(guò)程進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究，主要工作如下：
　　 1．圓柱光柵Smith-Purcell效應(yīng)的研究。我們用粒子模擬的方法研究了圓柱光柵的SP輻射特性，研究表明：當(dāng)單電子束團(tuán)從光柵表面經(jīng)過(guò)時(shí)，圓柱光柵可以激勵(lì)起兩種不同的波：頻

3、率固定的表面慢波以及頻率隨觀察角度改變的SP輻射波；采用預(yù)先群聚好的連續(xù)束團(tuán)時(shí)，可觀測(cè)到超輻射現(xiàn)象。SP超輻射波的頻率為電子束團(tuán)重復(fù)頻率的倍頻，具有鎖頻特性，且輻射在特定角度上有明顯加強(qiáng)；最后采用連續(xù)電子注時(shí)，觀察到在相同周期、槽深以及槽口寬度的情況下，三角形槽圓柱光柵在二次諧波上的切向磁場(chǎng)幅值最大，這說(shuō)明其輻射強(qiáng)度最大，倒梯形槽圓柱光柵則輻射強(qiáng)度最小。
　　 2．開(kāi)放式圓柱光柵高頻特性的分析。用理論推導(dǎo)的方法對(duì)圓柱光柵高頻特性

4、進(jìn)行了研究。首先對(duì)矩形槽圓柱光柵慢波結(jié)構(gòu)采用了場(chǎng)匹配方法進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了色散方程和耦合阻抗表達(dá)式。并通過(guò)編程計(jì)算求解方程。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步分析了圓柱光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)色散特性和耦合阻抗的影響。對(duì)于任意槽形的圓柱光柵，在槽內(nèi)采用一組矩形階梯來(lái)近似替代任意槽形狀。利用相鄰矩形階梯之間的導(dǎo)納遞推關(guān)系求得槽口處導(dǎo)納，并聯(lián)合其它邊界條件求得任意槽形圓柱光柵色散方程的統(tǒng)一形式。選取四種不同形狀的槽進(jìn)行討論，發(fā)現(xiàn)倒梯形槽圓柱光柵具有最強(qiáng)的色散特性

5、。矩形槽光柵、梯形槽光柵色散依次減弱，三角形槽光柵的色散最弱。
　　 3．開(kāi)放式圓柱光柵中環(huán)形電子注與波互作用線性理論及分析。在開(kāi)放式圓柱光柵的互作用區(qū)中注入纖薄的環(huán)形電子注，通過(guò)場(chǎng)匹配法建立了開(kāi)放式圓柱光柵系統(tǒng)的注波互作用線性理論模型。引入薄環(huán)狀電子注表面階躍邊界條件，聯(lián)合其它邊界條件推導(dǎo)獲得任意槽形圓柱光柵在小信號(hào)條件下的“熱”色散方程。最后編制程序求解色散方程以及增益。結(jié)果表明：在固定頻率下，存在最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸使得小信號(hào)

6、增益最大。在選取的四種槽形狀中，三角形槽具有最寬的帶寬和最小的增益，然后依次是梯形槽，矩形槽。倒梯形槽則有最窄的帶寬和最大的增益。
　　 4．準(zhǔn)光諧振腔中電子注與波互作用非線性模擬。用粒子模擬的方法對(duì)具有圓柱光柵的同軸型準(zhǔn)光腔進(jìn)行了非線性模擬。系統(tǒng)工作在表面波模式下，工作頻率由圓柱光柵和電子注線的交點(diǎn)決定。圓柱光柵起到了選頻的作用。當(dāng)采用不同槽形圓柱光柵時(shí)，由于光柵和電子注互作用強(qiáng)度不同，輸出功率大小也不同。采用倒梯形槽圓柱光柵

7、時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率最大。分析了輸出口角度與系統(tǒng)輸出功率的關(guān)系，輸出口角度越大，系統(tǒng)的輸出功率越小。在倒置曲面鏡同軸型準(zhǔn)光腔中，由于電子注半徑增大使得在相同的電流密度下電流大小比同軸型準(zhǔn)光腔結(jié)構(gòu)高好幾倍，從而提高了互作用強(qiáng)度，模擬得到的輸出功率可達(dá)900MW以上。
　　 5．具有圓柱光柵的同軸型準(zhǔn)光腔短毫米波輻射源實(shí)驗(yàn)研究。在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了W波段同軸型準(zhǔn)光腔輻射源熱測(cè)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括電子槍、磁線圈、同軸輸出通道支持環(huán)