毫米波GW级相对论速调管放大器的研究

发布时间：2020-05-17 10:24

【摘要】：相对论速调管放大器(Relativistic klystron amplifier,RKA)具有高峰值功率、高效率、高增益、输出信号幅度和相位稳定的特点,在高能加速器、等离子体加热等领域中具有重要的应用。随着高功率微波技术的不断发展,对RKA的辐射功率和工作频率提出了更高的要求,为了获得更高的Pf ~2因子,发展毫米波GW级的RKA是必由之路。为了将RKA的工作频率扩展到Ka波段,提出采用同轴高频结构以传输更高的电子束功率;为了在Ka波段实现GW级功率输出,提出采用横向高过模的大尺寸同轴高频结构以提高器件的功率容量。所以本文提出Ka波段大尺寸同轴相对论速调管放大器(Oversized Coaxial Relativistic klystron amplifier,OCRKA)的设想,开展了相应的理论分析、高频结构和输入输出耦合装置的物理设计、轴向模式耦合和角向高次模式自激振荡的抑制等关键技术研究。研究成果为发展毫米波高功率微波源提供技术参考。论文的主要研究内容和结论如下:1.从无栅间隙的电子耦合系数公式推导出发,考虑同轴谐振腔的电场分布和边界条件建立同轴谐振腔间隙的电子耦合系数。对比分析同轴和圆柱谐振腔的电子耦合系数。基于一维小信号和单电子运动理论,将同轴谐振简化为一维无栅间隙,并对束波互作用过程进行假设,获得了三间隙和四间隙谐振腔中的不同轴向电场分布的模式电子负载电导解析解。分别对三间隙和四间隙同轴谐振腔的电子负载电导特性进行分析,获得了各个模式最佳束波互作用的间隙渡越角,模式之间的竞争关系和单模工作的基本条件等。2.研究了毫米波段同轴谐振腔的基本特性,获得了毫米波段同轴谐振腔的一般规律性认识。研究了毫米波段同轴谐振腔结构尺寸敏感性,为实验加工误差控制、实验调试提供依据。分别对二极管、输入腔、中间腔、输出腔进行了物理设计和粒子模拟优化:对二极管区结构进行了优化提高了电子束引入漂移管的效率、减小了电子束的传输不稳定性,实验实现了电子束传输约300mm长时的效率大于90%;根据输入腔耦合匹配条件,通过理论分析结合粒子模拟方法得到最佳的耦合外观品质因数约224,实现了输入腔对输入微波功率的吸收率大于96%;分析设计了不同间隙数目的中间腔如单间隙、三间隙、四间隙中间腔对电子束调制的影响,研究表明经过两个中间腔后电子束的调制比可以达到125%;提出一种非均匀周期输出结构解决了高效率注波互作用的问题,实现了输出功率1.18GW;研究了谐振反射器与谐振腔之间的距离对谐振反射器本身反射效率和对谐振腔谐振频率的影响;为实验开展设计一个同轴TEM模-圆波导TM_(01)模的模式变换器和一个Ka波段高功率圆锥喇叭天线。3.利用二维粒子模拟方法对影响器件性能的主要参数进行模拟,优化参数实现器件的最佳性能。在电子束电压为525kV、电流为6kA、输入频率为30.5GHz、输入功率为1.4kW的工作参数条件下,模拟实现1.17GW的功率输出、电子效率为37.1%、增益为57dB。根据优化结构建立带实际输入输出耦合系统的整管仿真模型,利用三维模拟验证二维设计与优化的结果,三维模拟得到输出功率最大为880MW,饱和增益为58dB。4.研究了腔体之间耦合和角向非对称模式的自激振荡机理,并提出抑制方法。结果表明在谐振腔之间引入衰减材料,可有效抑制腔间耦合的自激振荡现象;在输入腔激励角向均匀工作模式可以抑制角向非对称模式的自激振荡。为了实现输入腔的角向均匀模式激励,提出一种内同轴输入系统,实现了角向幅度和相位均匀的模式激励,输入腔的角向幅度均匀性达到98.86%,相位波动小于0.06°。为了在同轴器件中给输入波导提供通道,提出一种新型模式变换器(TEM模式-扇形TE模式-TEM模式)。5.开展了初步的冷测与热测实验。调试各个高频结构的谐振频率满足要求,并对输入输出耦合结构进行冷测调试;开展了电子束的产生与传输热测实验,实现了在二极管电压为478kV时,产生电子束电流为5.02kA,在聚焦磁场为0.8T时,电子束的流通率达到91.3%;开展了初步微波实验,验证了器件工作在放大器状态,器件输出功率约775.6kW。
【图文】：

同轴,结构示意图,角向,模式激励

[102]随后 NRL 联合提出了改进的结构，采用内部同轴波导激励输入腔，同时采用多间隙的中间腔和输出腔结构，结构如图1-9，典型的改进是输入腔的激励从外部改为内部，，有效的提高了角向模式激励的均匀性，同时可以抑制角向高次模式的激8

加速器,改进型,结构示意图,电子效率

入同轴波导[108]，如图1-10。虽然在模拟设计中，利用 IREB（440kV、5kA）驱动TKA 结构在 X 波段实现了 1.1GW 的微波输出，相应的电子效率达到 50%。但是，经过多年的发展实验结果并不理想，仅仅产生 300MW 的微波输出和 20% 的电子效率[108]，自此之后没有继续开展相关的研究。图 1-9 改进型的同轴 RKA 结构示意图[98]图 1-10 改进型加速器结构示意图[108]国防科技大学的戚祖敏等人对同轴结构存在的问题进行了详细的分析[111]，并提出了一系列的改进措施[112 115]。最终提出一种外部双端口激励输入腔的同轴RKA，结构如图1-11
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN122;TN722

【参考文献】