X波段三轴速调管放大器研究

发布时间：2019-09-24 12:30

【摘要】：相干功率合成是目前高功率微波技术发展的重要方向。相对论速调管放大器作为核心器件受到广泛关注。然而,受功率容量的限制,目前主要研究集中在S波段等低频段。为满足高pf~2因子的要求,亟待发展高频段、高功率、长脉冲的相对论速调管放大器。本文采用三轴速调管放大器(TKA)技术路线,重点解决了X波段TKA同轴互作用谐振腔设计、TEM模隔离、非旋转对称模式自激振荡抑制等关键问题,研制出具有高功率、长脉冲潜力的X波段TKA,为发展更高频段的高功率微波放大器提供参考。论文的主要研究内容和结论如下:1.基于单电子运动学理论,分析了同轴谐振腔的电子束耦合系数和电子束负载电导,获得了同轴谐振腔有别于空心谐振腔的电子束负载特性。利用电子束耦合系数和衰减因子,修正了相对论电子束与TKA输入腔作用的小信号理论,获得电子束与输入腔作用后的最大基波电流和最佳群聚距离。研究了预调制电子束在同轴波导中群聚的大信号理论,获得电子束在同轴波导中的速度和密度调制特性。2.研究并设计了双端口馈入式同轴输入腔、三间隙同轴群聚腔、单间隙和双间隙输出腔。利用两个矩形波导注入端口,设计了角向均匀性达92%的非旋转对称同轴输入腔结构。提出非均匀三间隙群聚腔结构,既能实现对电子束的高效调制,又能实现低的TEM模泄漏功率。对单、双间隙输出腔进行了比较研究,在输出功率约为1GW条件下,双间隙输出腔的最大结构表面轴向电场为560 kV/cm,比单间隙输出腔降低约37%。3.对TEM模式泄漏进行了深入系统的理论和仿真研究。针对同轴波导涂覆衰减材料隔离TEM模式泄漏的局限性,提出采用两个不同本征频率的TEM模反射器隔离TEM模式泄漏的方法。当注入功率为100 kW、输出功率为1.04 GW时,群聚腔向输入腔泄漏的功率约为50 k W,为群聚腔内最大反向功率的0.35‰,输出腔向群聚腔泄漏的TEM模功率约为2.5 MW,是输出腔内最大反向功率的0.2%,隔离效果显著。4.深入分析了TKA中非旋转对称模式自激振荡产生机制和抑制方法。结果表明,非旋转对称模式产生于三间隙群聚腔内,而群聚腔和输入腔之间的同轴波导为自激振荡的增长提供了正向反馈通道。提出采用谐振腔反射器和同轴波导开缝结构抑制TKA中非旋转对称模式自激振荡的方法。5.利用等效电路法和粒子模拟方法,研究了谐振腔高频特性对器件相移特性的影响规律。结果表明,高Q0值的群聚腔的谐振频率能显著影响器件的相移。6.利用粒子模拟方法,对X波段TKA的整管工作特性进行了研究。当电子束电压为570 kV、电流6.5 kA时,在输入微波频率为9.375 GHz、功率为100 kW条件下,获得了功率约1 GW微波输出。转换效率和器件增益分别为29%和40 dB,输出微波的相位抖动小于3°,输出功率3 dB带宽大于50 MHz。采用单一变量法,研究了高频结构参数、注入微波参数、电子束参数及导引磁场强度等对TKA输出特性的影响。结果表明,除内外导体的轴向错位外,其他参数不会显著改变器件的工作特性。7.对X波段TKA进行了实验研究。冷测结果表明,输入腔谐振频率为9.375GHz,Qe值约为120;群聚腔的谐振频率为9.42 GHz,Q0值为493;输出腔的谐振频率为9.375 GHz,Qe值约为45。在注入功率为90 kW、频率为9.37GHz条件下,获得了功率约240 MW、脉宽约100 ns的微波输出。实验功率与模拟功率的显著差别主要来源于输入腔对注入微波的损耗。采用9.37 GHz、Qe值为309的改进型输入腔,在注入功率为50 kW、频率为9.38 GHz条件下,实验获得了功率约为920MW、脉宽约52 ns的微波输出,增益为42.6 dB,效率约23%。TKA输出微波的频率与注入微波频率一致,不同炮次相移抖动在±10°之内。
【图文】：

MRC的TKA结构

(a) 输入腔 (b) 群聚腔 (c) 输出腔图 1.8 MRC 的 TKA 结构的同轴互作用腔通过优化设计，John Pasour 等从数值上利用 440 kV、5 kA 的电子束获得了 9.3GHz、1.1 GW 的微波输出，转换效率为 50 %；并进行了实验研究，采用 420 kV、3.5 kA 的电子束产生了 300 MW 的微波输出，增益为 30 dB，效率约为 20 %[125]，但没有更进一步的报道。1.3.2 TKA 的研究难点21 世纪初，NRL 终止了 TKA 的研究，，美国的 AFRL 和 LANL 研究人员仍在进行 TKA 的研究[123]-[125]，但没有进一步的研究报道。从 NRL 提出 TKA 结构至今，虽取得了一些成果，但实验结果与仿真相差较大，且一直没有取得突破，经分析，其原因主要有以下三点：(1) 高频结构的设计。为了获得较高电子束调制深度和微波提取效率，采用多间隙结构，其含有多个纵向模式；大半径同轴互作用腔亦含有众多横向模式。因此，高频结构设计时，非工作模式的抑制显得尤为重要。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN122;TN722


本文编号：2540871