（电子科学与技术专业论文）连续波回旋行波管的模拟.pdf

a bs t r a c t b a s e do ne l e c t r o nc y c l o t r o nm a s e r , g y r o t r o nh a sg o o da p p l i e df o r e g r o u n di n m i l i t a r yw e a p o n , m i l l i m e t e rw a v er a d a r , c o m m u n i c a t i o n , e x a c tc o n t r o la n dg u i d ea n ds o f a r f o rt h o s er e 汨t s o n 8 ，m a n yc o u n u yh a sb e e na t t a c h i n gt ot h er e s e a r c ho fg y r o t r o n a sa k i n do fg y r o t r o na m p l i f i e r , t h eg y r o - t w ta m p l i f i e rh a sag r e a tp o t e n t i a lt ob eh i g h p o w e rm i c r o w a v es o u r o o ，e s p e c i a l l yh a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nm i l l i m e t e r w a v eb a n d , 谢t hi t sv i r t u e ss u c ha sh i g hp o w e r , b r o a db a n d , a n ds oo n , a n dt h e g y r o k l y s t r o nw i l lb eas u i t a b l ep o w e rs o u r f o rh i g hp e r f o r m a n c em i l l i m e t e r = w a v e r a d a r , p h a s e da r r a yr a d a r , m i l l i m e t e r - w a v ec o m m u n i c a t i o n s ，c o n t r o l l e dt h e r m o n u c l e a r f u s i o np l a s m aw a v eh e a t i n gs y s t e m s ，j u s tb e c a u s ei t s v i r t u e ss u c ha sh i g hp e a kp o w e r , h i g ha v e r a g ep o w e r , h i g hg a i n , e f f i c i e n t , a p p r o p r i a t eb a n d w i d 也e t c t h e r e f o r e , g o ta p a r t i c u l a ra t t e n t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y a3 5 g h zc o n t i n u e - w a v eg y r o - t w ti n c l u d i n gak u - b a n dg y r o k l y s t r o nw i t h f o u r - c h a m b e ri sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： f i r s t ：d e s i g n e dt h eh i g h - f r e q u e n c ys t r u c t u r eo fg y r o - t w tw i t hs u i t a b l ed i e l e c t r i c l o a d e di n 删弛c c 耐t l lt h ef i e q u e n c y , w h i c hc a ni n s p 沁t h ec o r r e c tm o d e lh 0 1m o d e l a n de f f e c t i v e l yi n h i b i t e dm i s c e l l a n e o u sm o d ea n ds e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o n s e c o n d ：p r o g r a m m i n gt h eh i g h - f r e q u e n c ys t r u c t u r eo f3 5 g h zc 0 n l i n u e w a v e g y r o - t w ti nt h ep a r t i c l es i m u l a t i o ns o f t w a r em a g i c ，f i n dt h eb e s ts t r u c t u r eb ya n a p p r o p r i a t i n gc h a n g ea b o u tt h es t r u c t u r e ，t h es i z ea n dl o c a t i o no f t h ed i e l e c t r i c - c o a t e d t h er e s u l ts h o w sa no u t p u tp o w e ro f3 0 6 k w 研la nd e 矧a o n i ce f f i c i e n c yo f3 6 4 a n d ag a i no f3 5 7d b ，a2g h z3 d bb a n d w i d t hi so b t a i n e d 、) l ，i ma4 2 k v , 2 ae l e 咖nb e a m a n dab e a mv e l o c i t yo f1 4 6 t h i r d ：t h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r o n i cb e a mp a r a m e t e r sa n dh i g h - f r e q u e n c y s t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h e o u t p u tp o w e r , b a n d w i d n l ，e f f i c i e n c y , a n dg a i no ft h e g y r o - t w ta l ea n a l y z e ds e p a r a t e l y a n dt h er e s u l t sw i l lp r o v i d et h es i m u l a t i o nr e f e r e n c e f o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fg y r o t r o na m p l i f i e r si nt h ef u t u r e f o u r t h ：g e tt h es t r u c t m eo fc l u s t e r sa n do u t p u tc a v i t yi nt h e15 g h zf o u rc a v i t y g y r o h y s t r o nb ys i m u l a t i o ns o i w a r eh f s s a b s t r a c t f i f t h ：w r i t et h ec o d ea b o u tt h es t r u c t u r eo f15 g h zf o u rc a v i t yg y r o k l y s t r o n 丽m t h es i m u l a t i o ns o f t w a r em a g i c t h er e s u l ts h o w s ：a t15 g h z ，ao u t p u tp o w e ro f3 7 5 k w w i t l la ne l e c t r o n i ce f f i c i e n c yo fa b o u t3 5 7 a n dag a i no f3 9 4d b ，a n da2 4 0 m h z b a n d w i d t hi so b t a i n e dw i t ha7 0 k v ，15 ae l e c t r o nb e a ma n dab e a m v e l o c i t yo f1 6 k e yw o r d s ：g y r o k l y s t r o n , g y r o - t w t ，b e a m - w a v ei n t e r a c t i o n , h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：至生耋日期： 2 7 年月纡日 签名：兰：鱼量 日期： 2 l 如j 年多月纷 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：王名童 导师签名： 日期：耐年月修日 第一章引言 第一章引言帚一早 jl 赢 毫米波的工作频率在微波和红外之间，从3 0 g h z 到3 0 0 g h z ，其波长相应在l 到1 0 m m 之间。毫米波系统的最大优点在于其分辨率高、海面回波低及存在绝对 带宽；同时毫米波系统的能量比微波更加集中，因而其在目标上的作用强度也更 大；此外毫米波波长与微波相比更短，因而方向性也更好。毫米波系统适用于重 量较轻、结构较小、近距离作用、有高分辨率及多普勒处理特性良好的场合，比 如精确跟踪、高分辨率成像以及云层研究等。目前制约毫米波系统发展与应用的 主要因素是毫米波功率源。因而研制高功率毫米波源就显得尤为重要。但是，对 于行波管及速调管等常规真空电子器件来说，由于受到结构、工作机理及工艺材 料等因素的限制，使得其在毫米波段的工作遭遇了很大的困难，很难得到毫米波 段的高输出功率l l j 。在此情况下，研究人员在相对论电子学和等离子体物理学的发 展基础上，研究出了能在毫米波段有效工作的快波器件一一回旋管( g y r o t r o n ) 1 1 电子回旋脉塞 电子回旋脉塞机理又称为电子回旋谐振受激辐射机理【2 卅，其理论基础是电子 在静磁场中做回旋运动时的相对论效应。是t w i s s ，s c h n e i d e r 和g a p o n o v 等人在 1 9 5 8 年和1 9 5 9 年提出来的。而其试验验证工作则是由p a n t e l ，h i r s h f i e l d 等人进行 的【5 】o 我们知道，微波电子器件中的能量能够发生交换，就在于其电子注与电磁波 发生互作用的高频结构。行波管中的高频结构采用了周期性慢波结构，其工作时 的波长与其高频结构的尺寸是可比的，然而波长随着频率的提高会迅速变小，尤 其是达到毫米波段后，波长的迅速变小相应的对微波管( 谐振腔和慢波线) 的尺寸提 出了更高的要求，这给我们的机械加工和阴极制造带来了很大的困难，同时对于 微波管的散热提出了新的挑战，导致了输出功率的提高变得不理想。为了解决以 上问题，出现了基于电子回旋脉塞机理的器件，并以此为基础，回旋管逐渐发展 成为了一类新型毫米波、亚毫米波器件，其主要的管型有g y r o o s c i l l a t o r 、 g y r o - t w t 、g y r o k l y s t r o n 、g y r o t w y s t r o n 等。且大部分都已经应用在了实际工程中。 电子科技大学硕士学位论文 回旋管的结构如图1 1 所示，由图中我们可以看出，其结构主要由电子枪、互 作用腔体、外加磁场系统、输出结构等几部分构成。具体工作原理如下：一环型 的空心电子注从磁控式注入电子枪中产生后，在外加磁场的作用下以回旋方式向 前运动，从而具备一定的初始旋转，而随着外加磁场在轴向的变化，电子注便会 发生绝热压缩，此时电子注的能量便大部分转化为回旋能量。所有空心电子注内 的电子都在以回旋方式运动，我们知道，电子的回旋运动发生在静磁场中时其角 频率为【州： 眈= q oi y ( 卜1 ) c j 螺旋管 臣各t 三虱 r f 输出 电予伦 图i - 1 回旋管结构及外加纵向磁场分布图 式中： q 。= 鼠 7 = ( 1 - p 2 ) 。坨= 1 ，c 由式可知，电子所具有的能量越高则其相应的相对论因子7 便会越大，而其回 旋运动的频率则会越小；反之亦然。在注波互作用过程中，有的电子获得了能量， 其y 便会变大，而其做回旋运动时的频率则会变小，引起回旋运动半径的增大；反 之亦然。这是与“负质量效应相等效的。 假设静磁场大小是曰o ，满足如下谐振条件时，电子注与电磁波将发生互作用，： 缈恕屹+ s 吐 ( 1 2 ) 式中用哎表示与磁场方向平行的波向量分量，屹则表示平行于轴向磁场的电 子运动速度分量，至于谐波工作次数则用s 表征。 2 式( 1 3 ) 为真空波导模式下的色散方程： g _ d 2 = 匕c 2 + 磁。c 2 ( 1 - 3 ) 寓生翌耄：。兰。裹曼亍口，是：o 的第n 个根，口是波导半径， 喜嘉冀。翟禁翌妻子回旋模式下的色散曲线与波导蠢磊磊苫弱 点附近。下图所示为几种回旋器件的工作机理。 一。一一叫。耿回氧剀 镶+ x 、 老 穗竺 麓 图1 - 2 电子回旋脉塞色散图 1 如图卜2 ( a ) 所示： 田而亨弱婴算电i 羔= ：二燮) 的情况下，由于横向动量( a = v 上叫) 较高， 因而2 叫屯“此时多普勒频移项吃屹非常小。则蔷磊磊中可以蓉茗爹嚣 电子科技大学硕士学位论文 频移项，式( 1 2 ) 变成： 彩s 鳞 ( 1 - 4 ) 这种情况下，由于波导腔中的截止频率与工作点频率十分接近，便成为了 g y r o k l y s t o n 和g y r o o s c i l l a t o r 的理论研究基础。 2 如图1 - 2 ( b ) 所示： 如果利用相速与光速相接近的电磁波与电子注相互作用( c ) ，则在工作频 率很高，同时工作磁场不大时有： 屯= 缈 q 并且在强相对论电子注( 1 肘两) 情况下，横向动量( 口= ，。v ：) 较低，即在谐振条 件( 1 - 2 ) 中，起主要作用的就会是多普勒频移项。相对论电子回旋脉塞便是工作在 这种状态下，在y 。c 的条件下，相对论电子回旋脉塞的理论和实验研究表明，谐 振条件( 国t 屹+ j 鳞) 在注一波互作用过程中保持不变，即多普勒频移的减少可以 用回旋频率的增加来补偿，因此，工作在相对论多普勒频移区的电子回旋脉塞就 称为自谐振电子回旋脉塞 7 1 。自谐振电子回旋脉塞的工作点频率较高( 彩= y 2 婢) 。 理论和实验表明，普通回旋管( v 乏c ) 和相对论回旋管( ，。c ) 之间存在很大的区 别，从某种意义上讲，相对论回旋管与自由电子激光器有相似之处，它在毫米波 和亚毫米波发展中，可能有很大作用。 3 如图1 - 2 ( c ) 所示： 利用中等强度的相对论电子注与快波波导模式相互作用，并且谐振点频率高 于回旋振荡管而低于自谐振电子回旋脉塞( t o = y 2 鳞) 的工作点频率，g y r o - t w t 和 g y r o t w y s f f o n 8 】就是以这种机制下的电子回旋脉塞不稳定性为基础。从理论角度来 讲，回旋行波管和回旋行波速调管只是工作区的范围与自谐振电子回旋脉塞不同。 4 如图1 - 2 ( d ) 所示： 电磁波的相速度和群速度都是负，而其工作点则位于横轴的负半轴，回旋返 波管( g y r o b w o ) 以这种机制为基础。其振荡频率能在很宽的范围内通过调节调节 外加磁场或加速电压来改变，然而因多普勒频移项下移导致( 国 c ) 之间的相互 作用来产生高功率相干辐射。下面两式表示的其色散关系： e 0 2 = 恕2 c 2 + 国2 。 ( 2 1 ) 国= 吃屹+ s q ( 2 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 式中光速用c 来表示：电子注轴向速度用u 来表示；角频率和轴向波数分别用缈与 恕来表示；波导截止角频率则用来表示；谐波次数用s 来表示； 电子的相对论 回旋频率用q = e b o t m o 来表示：厂= ( 1 一2 ) 1 彪表示相对论因子，p = v c ，电子 的速度则用1 ，来表示。 当运动中的回旋电子注在轴向方向上通过注一波相互作用高频区域时，由于t e 模的角向电场将会对其发生作用，从而导致电子注速度的变化，进一步引起回旋 频率的变化。通过调制回旋频率将会在回旋轨道中引起相位群聚现象。当波的多 普勒漂移频率比电子回旋频率q 或其谐波s q 略大时，即在国一t u s q 的情况下， 发生群聚的电子其横向速度便会减小从而交出能量 2 0 l 。图2 - 2 所示为耦合的色散 曲线，互作用效率在如图中所示g y r o - t w t 点处最高。 k z 图2 - 2 耦合色散曲线 制约了回旋行波放大器发展水平的主要因素是器件的稳定工作比较难以实 现，而对其稳定工作造成最严重威胁的则是振荡【2 他3 1 。有两类振荡现象会使放大 器的性能发生很大的下降。一种振荡之所以发生，主要是由于放大器内部的绝对 不稳定性接近( 略低于) 截止频率而引起。另一种振荡的起因在于竞争模式，比如 图2 2 中的点1 及点2 引起的返波振荡，其实这种振荡的产生，其本质也是绝对 不稳定性，关键在于互作用耦合强度过大，使得产生的能量超过了损耗的能量。 由于互作用耦合强度越大，电子注电流也越大，故而这两种振荡我们都可以以减 小工作电流的方法来压制和消除。对于无限长圆波导中的t e 模来说，起振电流与 电子横纵向速度比、工作磁场b 及电子注电压v 存在密切联系，因此，为了提高 起振的电流，可以通过改变电子注参数的方式来实现。此外，介质加载可以达到 同样的目的。 1 2 第二章3 5 g h z 连续波回旋行波管的研究 2 2 绝对不稳定性的研究 在弱相对论条件下( 电子注电压低于l o o k v ) ，我们的电子注采取小轨道回旋模 式，工作模式则选择t e 模，主要原因是由于基波互作用耦合强度比谐波耦合强的 多，电子注采取小轨道回旋模式的原因则是磁控发射电子枪( m i g ) 技术是目前比 较成熟的技术。 在图2 3 中可以看出，工作点位置随着电子注电压的提高会沿色散曲线上移从 而偏离截止点，斜率此时的( 群速度) 变化却并不是很大，电子与波在相对较宽的 频带内仍然保持着同步，有利于增加放大器的频带宽度。但是，电压过高时则很 容易引起电子注的速度离散，在一定程度上会影响增益【2 4 】【2 5 1 ，在此选择工作电压 为4 2 k v 。 w a v e g u i 。d e 孓一m f 吣八 m 葛焉帕商蜉矿+ n o 图2 3 工作模式为基模的耦合色散曲线 假定3 5 g h z 为频带中心频率，根据小信号理论，相应高频结构的波导半径为 0 = 0 5 5 3 c m ，互作用耦合强度最高时的磁场为眈= 1 2 8 6 t 。如果电子注的参数给定， 其互作用耦合强度可以用式( 2 3 ) 表示 2 0 】： 皿= 以2 ( 疋名) 2 ( 包吃) ( 2 - 3 ) 这里以是贝塞尔函数，电子注的引导中心半径及拉莫尔半径分别用，：、巧表 示，截止波数为恕= ，：r ，g 。则是第一类零阶贝塞尔函数z 的第r i 个根。 制约了回旋行波放大器发展水平的主要因素是器件的稳定工作比较难以实 现，而对其稳定工作造成最严重威胁的则是振荡【2 6 1 。有两类振荡现象会使放大器 的性能发生很大的下降。一种振荡之所以发生，主要是由于放大器内部的绝对不 1 3 电子科技大学硕士学位论文 稳定性接近( 略低于) 截止频率而引起。另一种振荡的起因在于竞争模式，其实这 种振荡的产生，其本质也是绝对不稳定性，关键在于互作用耦合强度过大，使得 产生的能量超过了损耗的能量。由于互作用耦合强度越大，电子注电流也越大， 故而这两种振荡我们都可以以减小工作电流的方法来压制和消除。对无限长圆波 导中的刀模式来说，由传导不稳定性转变成绝对不稳定性的临界起振电流l 为 2 7 - 2 9 ： l = 铬密揣 4 厦2 【以一埘( 恕) ( 恕吃) 】2 pv 其中，l = m c 2 e = 1 7 a ，乞由( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 式给出： 乞= 2 7 厦2 t 4 ( 2 5 ) 恕= 去( 1 + 8 屐2 ) - 1 - 4 厦s q 纹+ 1 6 f l ：2 s 2 q 2 q 2 + l ( 2 6 ) 2 ( 1 + 8 p ：2 ) ( 1 一s 2 q 2 皱2 ) 】1 通过分析式( 2 4 ) 可以得出，起振电流与电子注横纵速度比口、工作磁场b 及 电子注电压v 还有回旋电子束引导中心半径存在密切联系。为了抑制竞争模式， 保证回旋行波管稳定工作，这些工作参数都需要仔细选择。 为了使电子注能量被有效利用，回旋器件的口值一般选取在0 5 - 一2 之闯。如 果口选取较大，会导致起振电流的减小，同时由于此时电子注的轴向速度比较小， 容易在器件出现其它不稳定性现象，对器件的稳定工作不利，而口选取较小，则电 子注的横向能量由于太小，容易引起效率降低，综上考虑，我们选取了口= 1 4 6 。 由式( 2 4 ) 可以知道，束电压越大，起振电流越大，束电压减小时，起振电流下 降明显，然而，电子注电压过高时又容易导致速度离散，严重影响了增益，结合前 面的因素及实际实验条件的考虑，我们认为束电压为4 2 k v 是合适的。 为了有效地抑制竞争模式增长，需要选取合理的引导中心半径。的选取与 工作模式的场分布密切相关，一般情况下，将引导中心半径选择在场的最强处可 以得到高的效率，在工作在t e r n 模式时，一般取匕0 4 8 r w 。 回旋行波管的注一波耦合强度在工作磁场大小等于眈时最强，如果起振的电流 太小，则容易导致不稳定性的发生，为了获得较高的起振电流，我们选择的磁感应 1 4 第二章3 5 g h z 连续波回旋行波管的研究 强度偏离于饱和磁感应强度见，如果偏离幅度过大则会引起电子注和波之间的互 作用效果减弱，影响到效率。所以，一般说来，获得较高的效率和提高器件的起 振电流是一对矛盾的两个方面，选取合适的工作点对于具体的设计来说，是非常 重要的。 在实际设计管子时，根据稳定性分析，初步选取了放大器的工作参数如下：横 纵速度比口= 1 4 6 ，b o = 1 2 8 6 t ，k = 4 2 k v ，r = ，引导中心半径为w 57 m m 0 4 8 r w ，下面我们对互作用段进行优化。值得注意的是，我们在小信号假设的前提 下得到了起振电流的解析值，降许多非线性因素忽略。故而，起振电流的大小仅 作为初始化设计的一种估算。 2 3 高频结构的设计 2 3 1 结构的选取、模拟及优化 本文所采用的是如图2 4 所示加载损耗介质的高频结构，在输入段与输出段 之间加载损耗介质的结构，加载损耗介质是通过衰减来提高因绝对不稳定性导致 的起振电流，对工作波场的放大造成的影响很小。同时，加载损耗介质对于抑制 回旋返波振荡及终端反射的效果很好。在损耗段加载介质改变了波导的色散曲线， 从而扩展了频带宽度。由于加载损耗介质可以改变圆波导频率响应曲线，于其截 止频率处产生的损耗较大，顾而不会影响其工作模式的场。在中心工作频率附近， 由于加载损耗介质可以极大地提高工作电流，而只牺牲少量的增益，对回旋行波 管的功率和效率有很大的提高【2 0 】- 【2 ，故此在回旋行波放大器中被作为抑制绝对不 稳定性的有效手段而广泛使用。 图2 4 介质加载的互作用段 图2 5 及图2 6 是我们在保持波导损耗段的电导率o r = 8 ( 1 o h m s * m ) 不变，介 电常数为9 8 倍真空介电常数，放大器工作参数为：横纵速度比t ；t = 1 4 6 ， 1 5 电子科技大学硕士学位论文 b 0 = 1 2 8 6 t ，= 4 2 k v ，1 0 = 2 4 的情况下，得到的功率及效率随介质加载层长度 及厚度变化示意图。从图2 5 可以看出，随着介质加载段的增加，输出功率会快 速减小。这是由于损耗段的长度过长，则对电子注的损耗过大从而影响到电子注 的群聚，使得注一波互作用效果下降，导致功率减小。而我们在试图减小介质加载 段l l 的长度时，发现会引起震荡现象。故此我们选择介质加载互作用段l l 长度 为1 3 0 r a m 。在图2 6 中，我们可以看到，在加载的损耗介质比较短时，互作用效果 很快就达到了饱和，但是这个时候电子注的群聚并不是很好，导致互作用效果不 是很好，影响了输出，随着损耗介质段的增加，效果会逐渐好转。在达到3 5 r a m 时， 取得了3 2 k w 的输出功率，输出效果比较理想。所以，我们选择介质加载互作用段 l 2 的长度为3 5 m m 。 e 鲴 3 4 3 2 3 0 主2 8 萎：26 占2 2 2 0 1 8 6 1 3 01 4 01 5 01 6 0 1 7 0 t h i c k n e s so fi o s s ys e c t i o nl 1 i mm 图2 - 5 输出功率随损耗介质段长度l l 的变化 e 圈 主2 5 r 量2 。 9 5 o o 5 0 2 0 3 04 05 06 0 t h i c k n e s so fi o s s ys e c t i c nl 2 mm 图2 - 6 输出功率随损耗介质段长度l 2 的变化 1 6 第= 章3 5 g b l z 连续波i q 旋行被管的研究 图2 7 增益陋损耗介质段厚度l 1 、l 2 的变化 图27 是高频结构的增益随损耗介质加载层厚度的变化情况，从图中我们可 以看到损耗介质层l 1 随着厚度变化，增益变化很大。而损耗介质层l 2 的变化则 与l l 不同，【j 2 在厚度达到02 m m 后增益变化就已经不太明显。故此我们最终选择 l l 厚度为04 m m ，l 2 厚度为02 m 。 图2 - 8 为用h f s s 工具对损耗段做冷腔分析时观察到的场的分御，输入信号到 达损耗段后迅速衰减，在到达非线性放大段时，由图2 - 9 可以看 0 几乎已经衰减为 零，在整个工作频带范围内衰减达到4 6 d b 左右，很好的隔断了输入段与非线性放大 区，有效的抑制了回旋返波振荡和终端反射，使电子注可以在更纯正工作模式下的 被调制，从而使放大器可以更稳定的工作 图28 损耗段内场的分靠 电子科技大学硕士学位论文 _ n 昱一 u 母 譬 h o 岔“ m 蓄墨 li m 1 0 02 0 03 0 04 0 0 z m )( e - 3 图2 - 9 冷腔互作用段对场的损耗情况 s - 脯a to 【珂p 叩邸疆 。l l j 铲 匹 舢。i v lf | k ， 爪利哪。 1 01 52 0 个工m e ( s e c ) 2 53 0 ( e - 9 ) 图2 1 0 零驱动时的输出情况i = 2 a ) 在驱动功率为零，电流为2 a 时，如图2 - 1 0 所示，在输出窗处观察到的输出 功率不超过2 5 w ，与正常工作输出功率相比较几乎为零，可以忽略不计，表明此结 构确实能够抑制杂散振荡，又称为“零驱动稳定 。 2 3 2 高频结构最终设计方案 根据以上的分析，我们得到了中心频率3 5 g h z 模式为砸o 模的基波回旋行波管 互作用高频结构图，如下图所示，为了避免竞争模式对工作模式的影响，我们采 取了损耗波导结构。工作参数及结构参数确定如下：波导半径为5 6 咖，引导中 心半径应为o 4 60 ，电子注参数选择y = 4 2 k v 、o = 2 a 、口= 1 4 6 ，磁场选择为 1 - 2 8 6 t 。前面的损耗波导段长度为1 3 0 m m ，电导率仃= 8 ( i o h m s * m ) ，介电常数为 第二章3 5 g h z 连续波回旋行波管的研究 真空介电常数的9 8 倍，有效提高绝对不稳定性的临界起振电流，抑制了绝对不稳 定振荡及回旋返波振荡；最后的非线性放大区长度为4 0 m m 。 。 、 心 ， e 。 s ，、tl、 ，、 i、 |、- 7， 茑墨 ? i - xi t 砷 i 电子科技大学确学位论文 t 2 21 0 9n 日：h t a s e s p a c ef o ra l lp a r t i e l e s 。t i zi 幽21 3 u 了注沿轴向的演变过秤 罔2 1 4i 作# j 轴向的分布 f a 2 一1 2 为输入信号的场分布，我们t 叮以很明显的看到其工作模式是t e o i 模。 图2 一1 3 给出了电子 + 沿轴向的演变过程，可能看到，开始时，电子注电子分布均 匀，均匀的电子注经输入段与调制场进行互作用，电子的角向速度发生变化，引 起角频率也发生变化，从而形成了角向的相位群聚，在介质加载段末端，形成了 非常明显的群聚块，形成良好群聚的电子注经过非线性放大区后，大部分场子的 同旋半径减小这说明大部分的f b 了将能量交给的高频场，随后，由图21 4 所示， 工作磁场开始下降，电子注逐渐失去磁场的约束而打向收集极。 图2 1 5 与图2 一1 6 分别给出了输入段理想导体区和加载介质区的电磁场能量随 着时自j 的变化情况，我们从固中知道，图21 5 中的电磁场其能量在短暂的上升后 第= 章3 5 g h z 连续波回旋 t 波管的研究 到达稳忐，其后便保持了稳定，而图2 1 6 中电磁场能量是在很长一段时间之后才 达到稳杏的。关键在于两段互作用区在轴向位置上的差异，其能量也有很大差异。 同时看出放大器没有受到绝对不稳定性影响，其互作用过程的稳定性还是比较好 的。图2 一1 7 给出了电子注能量随轴向的变化情况，可以看到，电子注在输入段与 介质加载段的能量变化不大，只有到了非线性放大段后，总能量才迅速降低。 幽21 5p i c 模拟时输 段电磁场储能随时问的变化 酗2 1 6p i c 模拟时介质加载区电磁场储能随时问的变化 | _ _ _ ，螨! i ： ，i 图21 7 电子注能量沿轴向的变化情况 o：口o。n o 【c ! n = ； 电子科技土学硬十学位论文 溪冀 。”。 ：2 0 l i j ” ”， 图2 1 8 艳个互作用段的场分布 薹一 幽2 1 9 电于注的角向动 i 分布 图21 9 为2 2 n s 时i u 了角向动量的分布图，从圈中可以知道电子的角向动量在 输入段和介质加载段是均匀分布的，而在图2 一1 8 所示的屯场幅值罔中我们也可以 知道，进入放大区之前，电子注因为被调制且产生了预群聚，此时屯场幅值比较 小，当电子注运动到五：作用区后瓦作刚效果强烈，其角向速度发生下降，且将能 量交给了高频场，有效实现场的放大，且以h 。模在输出段以行波方式输出。 25 模拟输出结果 图2 2 0 一图2 2 2 则是岛频结构在输出端u 的功率曙密度罔、输m 功率图及频 谱图，在输入功率为86 w ，注电压4 2 k v ，工作磁场为12 8 6 t ，a 为14 6 频率为 3 5 g h z 的情况下，在输出端我们得到了非常稳定的刊频率功率谱密度输出，在 第= 章3 5 g h z 连续渡回旋行波管的研究 9 n s 时，取得了稳定的输出，6 2 k w 的功率谱密度幅值及3 1 k w 的功率，在频谱图上， 其频谱保持了很好纯度，并没有杂模出现。 i 一0 ； = 。 r n 2 圈2 2 0 功率流随时间的变化过程 附2 - 2 1 输出端娃观察到的功率输出 图z 一2 2 输出端处观察到的频谱图 口 一= h 5 i 电子科技大学硕士学位论文 幛 害o i 1 。i ii 5 【。 l：燃l 甜j ，l 。j 腿j j l e m 1 1j 媳。：； l f 盐 =州1 一； 1 0 02 0 03 0 0 4 0 0 z m i 图2 2 3 高频场功率在整个互作用段上变化 图2 2 3 模拟了整个高频结构区高频场中的功率变化状况，在2 3 0 r a m 附近取得的 平均功率最大，也就是非线性放大段结束的位置，最大功率谱密度幅值约6 2 k w ，输 出功率为3 1 k w 。 上面我们讨论了3 5 g h z 连续波基次谐波回旋行波管放大器注一波互作用过程中 电子注的能量、动量、高频场的坡印亭矢量等物理量在时间和空间内的变化情况。 可以看出，在互作用过程中，电子注在角向发生了群聚，电子注向高频场交出了 大量的能量，有效实现了高频场功率的放大。 2 6 放大器输出特性的研究 放大器峰值功率主要是由其工作电流决定，放大器工作电流的选择不仅决定 了绝对不稳定性振荡是否起振，同时在很大程度上影响了饱和效率。根据线性理 论中的稳定性分析结果，我们选取工作电流2 a ，也对饱和效率面对不同电流时的 状况进行了模拟，结果如图2 2 4 ，结果表明，在工作电流为2 5 a 时，仍然没有绝 对不稳定性发生，放大器存在4 5 k w 的输出功率，放大器在工作电流为2 a 的情况下， 仍然获得了大约3 1 k w 的输出功率，效率达至1 j 3 6 4 。图2 - 2 5 给出了输出功率与换能 效率随工作电压的变化情况。当束电压过低时，起振电流下降明显，受绝对不稳 定性因素的影响，饱和效率非常低；而束电压过大时，虽然起振电流变大，但是， 电压过高时电子注度离散比较明显，对电子注的稳定工作产生较大影响，从而影 响了注一波换能效果。 图2 2 6 为输出功率和增益跟随电子注口值的变化情况，如图所示，电子注横 纵向速度比的变化对增益和输出功率的影响很明显，当电子注横纵向速度比较小 第二章3 5 g h z 连续波回旋行波管的研究 时，由于参与互作用的电子注横向能量不是很多，引起互作用效果的降低，导致 了输出的减小。而当电子注横纵向速度比较大时，电子注在轴向的速度便会减小， 破坏了注一波耦合条件，引起电子注的轴向速度和波的群速不能维持同步，减弱了 互作用效果，降低了输出。这里我们选择口= 1 4 6 。 图2 - 2 4 输出功率与效率随工作电流的变化 图2 2 5 输出功率与效率随工作电压的变化 电子科技大学硕士学位论文 3 4 越 2 薹 薹麓2 4 喜舶 1 1 2 图2 2 6 输出功率和增益随速度比a 的变化 在磁场的大小发生变化时，引起增益和输出的变化如图2 2 7 所示，从图中看 出，磁场的轻微变化便引起增益和输出功率的变化。而外加工作磁场决定了放大 器的互作用回旋谐振匹配，进一步决定了互作用耦合强度。当磁场b = 1 2 9 t 时， 有最好的增益及输出，有3 5 9 d b 的增益，而随着磁场的减小，引起互作用耦合强 度较弱，导致输出的降低。随着磁场的增大，互作用强度增强的同时，饱和长度 则会变短，互作用在损耗波导段内时就已经达到饱和，使得损耗介质段的存在抑 制了非线性放大过程，导致饱和功率和增益均呈现减小的趋势。 3 2 2 8 2 s 主2 4 采 1 6 1 4 1 2 1 0 钉o 3 3 6 0 3 3 6 且 3 4 5 逍 3 3 0 豫5 3 2 , 0 3 1 5 到且 图2 2 7 输出功率和增益随工作磁场的变化 第二章3 5 g i - i z 连续波回旋行波管的研究 图2 - 2 8 输出功率与效率随频率的变化 3 8 3 e 。4 岔 堇越 8 2 筠 巨三圉 3 3 53 4 03 450筇5o f t q k i u e n c t ( g h z 图2 2 9 增益随频率的变化 图2 - 2 8 和图2 - 2 9 分别为输出功率、效率和增益随频率的变化情况，在3 4 4 g h z 1 1 l j 3 5 4 g h z 之间时，放大器的输出功率都在2 4 k w 以上，在整个频带范围内增益都达 到2 9 d b 以上，在工作频率点小于3 4 4 g h z 和大于3 5 4 g h z 的范围内输出功率开始缓 慢下降，两端分别大约在3 3 8 g h z 与3 5 7 g h z 处输出功率下降到最大输出功率的 i 2 。因此非线性模拟结果看来，在3 5 g h z 处峰值功率可以达至1 3 1 k w ，效率3 6 4 ， 增益大于3 5 7 d b ，3 d b 带宽可达到1 8 g h z 以上。 2 7 电子科技大学硕士学位论文 2 。7 小结 本论文在国内外对回旋行波管放大器的研究基础上，分析确定了回旋行波管 稳定工作的设计方法和步骤，结合线性理论、非线性理论及粒子模拟技术，探讨 了回旋行波管放大器注一波互作用的特点，设计了工作于3 5 g h z 的连续波回旋行波 管放大器高频结构，得到了可信的模拟结果，为回旋行波管的设计和模拟提供了 参考和帮助。 第三章1 5 g 1 4 _ z 四腔回旋速调管的研究 第三章1 5 g h z 四腔回旋速调管的研究 3 1 回旋速调管的发展 作为回旋管家族中的一员，回旋速调管是以电子回旋脉塞为机理，兼顾了普 通速调管中的多腔群聚效应而制成的一类快波器件。其电子枪的注入方式采取了 磁控式方法，而高频结构部分则由两个甚至多个分开的谐振腔构成，谐振腔之间 以对微波截止的漂移段相连，互作用结构外部加有一沿轴向方向的磁场。在第一 个腔体加入了输入信号后，在外加轴向磁场的情况下，电子注会在其角向发生初 始的群聚现象，之后在通过漂移段之后，已经发生了初始角向群聚的电子注会在 中间的腔体中进一步加强其角向的群聚现象，最后在电子注到达了输出腔后，便 会与高频场发生强烈的换能现象，具体表现便是电子注将其横向能量交出给了高 频场，放大之后的微波信号则通过输出窗口进行输出，由于提高群聚效果和增益 在中间的腔体中进行，所以中间腔体的数目越多，便会相应地提高放大器的增益 与输出功率。回旋速调管采用的是过模腔，可以增加其功率容量，外加轴向磁场 的大小则决定了其工作频率。 以电子回旋脉塞机理为基础来研制回旋放大器，这个观点是美国的w a c h t e l 和前苏联的g a p o n o v 等人在1 9 6 6 年提出来的，此后，前苏联便开始了有关回旋速 调管的相关研究。在上个世纪7 0 年代期间，俄罗斯对回旋速调管的研究主要集中 在x 和k u 波段。取得了一些结果：研制出的三腔回旋速调管其中心工作频率为 1 6 g h z ，取得了1 6 0 k w 的输出功率，效率达到4 0 、增益3 0 d b 及0 5 的带宽u j 。 2 0 世纪7 0 年代末，美国也开始了对回旋器件的研究，其主要机构有瓦里安公 司( v a r i a n ) 及海军研究实验室( n r l ) 。回旋速调管的第一篇研究报告则是瓦里 安公司的j o r y 1 1 】等人在1 9 7 7 年发表的。由报告中得知此两腔回旋速调管的频率为 2 8 g h z 、取得了6 5 k w 的输出峰值功率、0 2 的带宽及1 0 的工作效率。另一个试 验报告的三腔回旋速调管工作于x 波段【1 2 1 ，谐波状态是二次回旋谐波，得到的输 出功率2 0 k v ，效率为8 2 。从这两个实验中得知，关于回旋速调管还有很多问题 需要解决。美国海军实验室研究了工作于4 5 g h z 下的三腔回旋速调管，功率达到 了5 4 k w ，而工作效率达到3 0 ，在此之外也设计出了其他的回旋速调管，取得1 0 0 k w 电子科技大学硕士学位论文 的功率、大于3 5 的效率及4 0 d b 的增益【3 0 3 3 】。通过这些实验我们知道回旋速调管 在高功率微波毫米波器件方面的潜力，为我们以后的研究及发展打下了扎实的基 础。近年来，拥有较宽的频带、较大的功率、较高增益及效率的回旋速调管成为 了国际上的热门研究方向。文献 3 4 报道的三腔回旋速调管工作在c 波段，效率 为3 0 ，峰值输出功率为5 4 k w 。同时也报道了工作在x 波段的三腔回旋速调管相 关实验结果，效率为4 5 ，峰值输出功率为1 6 k w ，带宽为1 。文献 3 5 、 3 6 则 报道的两腔回旋速调管分别工作在基波和二次谐波状态，其频率分别为9 8 7 g h z 和1 9 。7 g h z ，峰值输出功率分别为2 0 m w 及3 0 m w ，效率将近3 0 。文献 3 7 报道的 两腔回旋速调管工作在k a 波段，工作在3 5 g h z ，工作模式