高平均功率回旋行波管收集极设计
发布时间：2020-03-29 13:03
【摘要】：毫米波由于它自身具备的特点,在雷达、电子对抗和通信领域发挥着重要作用,而回旋行波管作为一种采用快波结构的信号放大器,具有工作频带宽、输出功率高和增益高的特点,成为大功率毫米波技术研究领域中的重中之重。在回旋行波管收集极的入口处,完成与微波换能的电子注继续轴向运动。具有一定能量的电子注在轴向逐渐下降的磁场作用下,运动到收集极内壁上,电子注剩余能量转化为热能,这部分热能被收集极外侧的循环液冷水流及时带走。若电子注收集区域过于集中,将导致收集极局部过高的温升。过高的温升会给收集极散热带来压力,并且影响管体内部的工作环境。提高收集极液冷效率,提升耗散电子注收集均匀性,是收集极设计的关键问题。本论文主要工作如下:1.为了确定收集极的单位面积功率容量及提升其功率容量,运用理论分析结合多物理场仿真,并且联合热测实验数据,得到了器件内最强电场分布、器件击穿电压随真空度变化关系、真空度与收集极耗散功率的对应关系以及收集极最高温度随耗散功率的变化关系。通过提高收集极材料热传导系数、液冷水流流速和改进液冷结构的方法提升了液冷效率,仿真分析了螺旋-波浪型微通道收集极结构,耗散密度在1.65 kW/cm~2时,收集极最高温度和液冷水流最高温度低于各自温度门限,保证了最大耗散功率的有效收集。2.为了提高电子注在收集上的收集均匀性,从电子注在收集极的运动轨迹入手,用电子注相位函数?(r,v)描述收集区域的电子注分布,运用MATLAB编制收集密度程序。针对均匀磁场下单一状态的电子注,分别在直线收集极、等斜率渐变收集极和变斜率渐变收集极的情况下研究电子注收集面积问题和收集均匀性问题,通过变斜率曲线收集方式有效解决了电子注在收集极上的“尖峰”,使得耗散电子注收集更加均匀。3.研究了分层电子注收集问题。在斜线收集极均匀磁场条件下,得出了电子注收集形状随收集极倾角和电子回旋角的变化关系,并对编程计算中出现的收集“毛刺”问题给予了分析。针对渐变磁场下分层电子注收集,通过和均匀磁场时的收集密度对比,运用在收集极区域增加补偿磁场线包的方式来提高收集均匀性。利用CST软件分析得出,增加补偿磁场后对应的收集极结构具有较好的微波传输特性。
【图文】：
5%的 3dB 带宽和 1.5kW 的平均功率输出[43]。2012 年在 Q 波段回旋行波管热测实验中，基于 TE01模式，在热测实验中测得峰值功率 153kW，饱和增益达到 4dB[44]。2014 年，电子科技大学在 Ku 波段回旋行波管中，利用陶瓷加载型的高频结构，，基于 TE11模式，该管子在工作电压 63kV 和工作电流 13A 的条件下，得到输出功率 153kW，带宽 2.3GHz，20%的效率和 41dB 的饱和增益[45]。同一年，在W 波段的热测实验中，工作于 TE01的周期介质加载型回旋行波管得到了 112 kW的峰值功率输出，69.7 dB 的饱和增益和 23.3%的效率，并在 90 kW 以上得到了 GHz 的带宽[46]。中科院电子所主要针对谐波倍频技术进行了研究，在 2007 年，其设计的回旋放大器在试验中达到了 25kW 峰值输出功率，该管子将 TE01模式的输入信号变换成 TE02模式输出[47-48]。在 2010 年的回旋管行波管试验中得到了最大输出功率 77 kW，大于 25 dB 的增益和 1.06%的 3 dB 带宽[49]。中国电科集团第十二研究所在 2011 年对 Ka 波段回旋行波管的研究中，采用周期加载衰减陶瓷的高频结构，在 TE01基模的工作模式下，在 67 kV-13 A 的工作状态下得到了 156 kW 的峰值功率输出[50]。次年，该所在 Ka 波段回旋行波管热测实验中测得 293 kW 的峰值功率输出，34.2% 的效率，56 dB 的增益和 2.1 GHz 的 3 dB 带宽[51]。
具有被称为调制阳极的第一阳极和加速阳极的第二阳极。输入高频微波的入口和出口。输入耦合器把经过固态功率放大器初步放耦合进入回旋行波管，输出窗口则把高功率的微波输出至大功率传。输出窗需要保证较高的传输效率同时还得保证密封以保障管内的频结构，作为回旋行波管的关键部分，历来是学者们的研究重点。由的收敛磁场的绝热压缩作用，电子注纵向速度减小而横向速度增大，能量保持不变，也可以说电子的纵向能量转换成了横向能量，这为电里面的注波换能做了准备。电子注在高频结构的运动过程中，逐渐发聚，而处于减速场的电子注将部分能量交给高频场，完成注波换能。旋行波管稳定工作的重要保障，一般采用低温超导磁体产生较高的磁的轴线需要尽可能的与回旋行波管对称轴线保持重合，这样才能保频场的有效换能，所以超导磁体的质量需要严格把关，在做热测实验超导磁体进行大量的测试。完成注波互作用之后的电子注，仍然具有收集极主要负责电子注耗散能量的吸收，并通过收集极外侧的液冷系输出到外部，以保证回旋行波管的稳定工作。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN124
本文编号：2606008
【图文】：
5%的 3dB 带宽和 1.5kW 的平均功率输出[43]。2012 年在 Q 波段回旋行波管热测实验中，基于 TE01模式，在热测实验中测得峰值功率 153kW，饱和增益达到 4dB[44]。2014 年，电子科技大学在 Ku 波段回旋行波管中，利用陶瓷加载型的高频结构，，基于 TE11模式，该管子在工作电压 63kV 和工作电流 13A 的条件下，得到输出功率 153kW，带宽 2.3GHz，20%的效率和 41dB 的饱和增益[45]。同一年，在W 波段的热测实验中，工作于 TE01的周期介质加载型回旋行波管得到了 112 kW的峰值功率输出，69.7 dB 的饱和增益和 23.3%的效率，并在 90 kW 以上得到了 GHz 的带宽[46]。中科院电子所主要针对谐波倍频技术进行了研究，在 2007 年，其设计的回旋放大器在试验中达到了 25kW 峰值输出功率，该管子将 TE01模式的输入信号变换成 TE02模式输出[47-48]。在 2010 年的回旋管行波管试验中得到了最大输出功率 77 kW，大于 25 dB 的增益和 1.06%的 3 dB 带宽[49]。中国电科集团第十二研究所在 2011 年对 Ka 波段回旋行波管的研究中，采用周期加载衰减陶瓷的高频结构，在 TE01基模的工作模式下，在 67 kV-13 A 的工作状态下得到了 156 kW 的峰值功率输出[50]。次年，该所在 Ka 波段回旋行波管热测实验中测得 293 kW 的峰值功率输出，34.2% 的效率，56 dB 的增益和 2.1 GHz 的 3 dB 带宽[51]。
具有被称为调制阳极的第一阳极和加速阳极的第二阳极。输入高频微波的入口和出口。输入耦合器把经过固态功率放大器初步放耦合进入回旋行波管，输出窗口则把高功率的微波输出至大功率传。输出窗需要保证较高的传输效率同时还得保证密封以保障管内的频结构，作为回旋行波管的关键部分，历来是学者们的研究重点。由的收敛磁场的绝热压缩作用，电子注纵向速度减小而横向速度增大，能量保持不变，也可以说电子的纵向能量转换成了横向能量，这为电里面的注波换能做了准备。电子注在高频结构的运动过程中，逐渐发聚，而处于减速场的电子注将部分能量交给高频场，完成注波换能。旋行波管稳定工作的重要保障，一般采用低温超导磁体产生较高的磁的轴线需要尽可能的与回旋行波管对称轴线保持重合，这样才能保频场的有效换能，所以超导磁体的质量需要严格把关，在做热测实验超导磁体进行大量的测试。完成注波互作用之后的电子注，仍然具有收集极主要负责电子注耗散能量的吸收，并通过收集极外侧的液冷系输出到外部，以保证回旋行波管的稳定工作。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN124
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 刘濮鲲;杜朝海;;毫米波回旋行波放大器的发展评述[J];微波学报;2013年Z1期
2 刘濮鲲,徐寿喜;回旋速调管放大器及其发展评述[J];电子与信息学报;2003年05期
本文编号：2606008
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2606008.html
