（物理电子学专业论文）大功率宽带多注速调管输出段的研究.pdf

摘要 该博士论文阐述了围绕着大功率宽带多注速调管输出段所展开的一系列深 入的研究和所取得的主要成果。 第一，采用三维电磁场模拟计算方法和集中元件等效电路法研究了耦合双间 隙腔中祸合槽尺寸对谐振腔性能如何影响等问题，得出了重要结论：在较低频率 波段，耦合双间隙腔中开大耦合槽有利于提高n 模的特性阻抗，降低n 模频率。 并提出了一类新型的、具有较高特性阻抗和较小体积的低频率波段多注速调管输 出腔一n 模强耦台双间隙微波谐振腔。 第二，基于现有的三维电磁场模拟计算软件i s f e l 3 d 、宽带速调管输出回路 原理和微波网络理论，建立了一套完整的宽带速调管输出回路模拟计算方法，并 通过实际例子的计算结果和冷测结果的比较，验证了该模拟计算方法的可靠性。 第三，对速调管同轴线滤波器宽带输出回路进行研究和探索，设计出了一个 适合用于l 波段多注速调管、相对带宽超过1 4 的四耦合槽n 模强耦合双间隙腔 加载同轴线滤波器输出回路，并对其稳定性和峰值功率容限做了一些分析。 第四，对圆柱盒型窗用于传输高功率连续波时的功率容限和鬼模振荡的特殊 危害性等问题进行了深入的研究，修正了现有的圆柱t e i l 模盒型窗的平均传输功 率容限的计算公式，并推导出了可用于三维模拟计算的圆柱t e i i 模盒型窗中介质 窗片温升量的计算公式。同时，通过计算一些典型的实际问题得出了一个具有重 要价值的结论：在l 波段，采用a 1 2 0 3 陶瓷窗片的普通圆柱盒型窗可用于传输 1 2 0 k w 以上的高功率连续波，并且具有1 4 左右的可工作相对带宽。 关键诃：多注速调管，强耦合双间隙腔，特性阻抗，速调管滤波器，输出回路 同轴线滤波器，圆柱盒型窗，平均传输功率容限，鬼模。 r e s e a r c h0 1 1t h eo u t p u ts e c t i o no fh i g hp o w e r b r o a d b a n dm u l t i - b e a mk l y s t r o n l i nf u m i n 伊h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yd i n gy a o g e n a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ne x p o u n d sas e r i e so fi n - d e p t hr e s e a r c h e so nt h eo u t p u ts e c t i o no f h i g hp o w e r b r o a d b a n dm u l t i b e a mk l y s t r o na n d t h em a i nf r u i t s t h ef i r s t t h ee f f e c to ft h es i z e so fc o u p l i n gs l o t si nac o u p l i n gd o u b l eg a pc a v i t y o nt h ec a v i t yc h a r a c t e r i s t i c si ss t u d i e dt h r o u g hs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n se l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n da n a l y s i so fe q u i v a l e n tl u m p e de l e m e n tc i r c u i t i ti sc o n c l u d e d b y t h er e s e a r c ht h a t ，i nl o w e rf r e q u e n c yb a n d ，b i g g e rc o u p l i n gs l o t si n a c o u p l i n g d o u b l eg a pc a v i t ya r eb e n e f i c i a lt or a i s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ea n d l o w e r i n gt h ef r e q u e n c yo f nm o d e s oan e wk i n do fm i c r o w a v ec a v i t y m o d e s t r o n g l yc o u p l i n gd o u b l eg a pc a v i t y ，w h i c hh a sh i g h e r c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e ， s m a l l e rv o l u m ea n df i t si nw i t hl o w e rf r e q u e n c yb a n dm u l t i - b c a mk l y s t r o n s i s p r o p o s e d t h es e c o n d ，ac o m p l e t es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o nm e t h o df o ro u t p u tc i r c u i to f b r o a d b a n dk l y s t r o ni sd e v e l o p e d ，b a s i n go ne x i s t i n gp r o g r a mi s f e l 3 df o rs i m u l a t i o n c o m p u t a t i o no ft h r e ed i m e n s i o n se l e c t r o m a g n e r i cf i e l d p r i n c i p l eo fo u t p u tc i r c u i to f b r o a d b a n dl d y s t r o na n dm i c r o w a v en e t w o r kt h e o r y s o m ep r a c t i c a le x a m p l e sa r e c a l c u l a t e da n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t hc o l dt e s tr e s u l t s ，s ot h a tt h e r e l i a b i l l t yo f 也es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o nm e t h o d i sp r o v e n n l et h i r d s o m eg r o p i n gr e s e a r c h e sa r em a d eo f tb r o a d b a n dc o a x i a ll i n ef i l t e r o u t p u tc i r c u i to fk l y s t r o n ab r o a d b a n do u t p u tc i r c u i t nm o d ef o u rc o u p l i n gs l o t s d o u b l e g a po u t p u tc a v i t yl o a d e dw i t hc o a x i a lf i l t e r , w h i c hh a saw o r k a b l er e l a t i v e b a n d w i d t hb i g g e r 血a n1 4 a n df i t si n 谢t 1 1l b a n dm u l t i b e a m - k l y s t r o n i sd e s i g n e d m e a n w h i l es o m ea n a l y s i so fi t ss t a b i l i t ya n d p e a kp o w e rc a p a c i t yi sm a d e t h ef o u r t h ，t h ep o w e rc a p a c i t ya n dt h es p e c i a lh a r m f u l n e s so f 曲o s tm o d e r e s o n a n c ew h e na c y l i n d r i c a lb o xt y p ew i n d o w i su s e dt ot r a n s m i th i g hp o w e rc wa r e s t u d i e di n d e t a i l 刀措e x i s t i n g f o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h e a v e r a g et r a n s m i t t i n g p o w e rc a p a c 埘o fc y l i n d r i c a lt e l im o d eb o xt y p ew i n d o wi sr e v i s e da n daf o r m u l a f o rt h i e ed i m e n s i o n ss i m u l a t i o nc o m p u t a t i o no ft h et e m p e r a t u r ei n c r e m e n to ft h e d i e l e c t r i cd i s ki nc y l i n d r i c a lt e l 1 m o d eb o x t y p ew i n d o wi sd e d u c e d m e a n w h i l ea v a l u a b l ec o n c l u s i o nt h a tg e n e r a lc y l i n d r i c a lb o xt y p ew i n d o w sw i t hd i e l e c t r i cd i s k s m a d eo f a l 2 0 3c e r a m i cc a nb eu s e dt ot r a n s m i tc w o f h i g h e rp o w e r t h a l l1 2 0 k wa n d w o r k a b l er e l a t i v eb a n d w i d t hm a ya c h i e v ea b o u t1 4 i nlb a n d i sm a d e b y c a l c u l a t e d r e s u l t so fs o m e t y p i c a le x a m p l e s k e y w o r d s ：m u l t i b e a mk l y s t r o n ，s 自r o n 西yc o u p l i n gd o u b l e g a pc a v i t y , c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e ，k l y s t r o nf i l t e r , o u t p u tc i r c u i t ，c o a x i a ll i n ef i l t e r , c y l i n d r i c a l b o xt y p ew i n d o w , a v e r a g e t r a n s m i t t i n gp o w e rc a p a c i t y ，g h o s tm o d e ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多注速调管的发展历史和现状 速调管是3 0 年代发展起来的一种大功率高频微波振荡器或放大器【ij ，它的 基本工作原理是：首先在输入腔中输入较弱的高频微波调制信号对直流电子注进 行速度调制，然后让电子注通过一段自由漂移路程( 漂移管) ，使速度调制转变 为电子注的密度调制，这一过程称为电子注的群聚；当电子注进入第二腔时，群 聚电子注将会在第二腔的间隙中产生高频感应电流( 拉姆方程) ，其中的基波分 量激励起了第二腔的谐振，结果在第二腔的间隙处产生较强的高频纵向电压，该 高频间隙电压又对电子注进行第二次速度调制，然后电子注再通过段漂移管将 速度调制转变为密度调制，使电子注群聚得更加紧密；经过反复多次的速度调制 和群聚过程，最后已高度群聚的电子注进入输出腔时，在输出腔间隙中感应出很 强的高频感应电流，其中的基波分量激励输出腔产生很强烈的谐振，结果在输出 腔的间隙处产生很强的高频纵向电压，该高频间隙电压使电子注大幅减速，并通 过与输出传输线耦合将高频微波传输到负载，从而达到把电子注的直流能量转变 为高频微波能量的目的。 由于速调管克服了低频电子管中电子渡越时间1 2 3 所引起的障碍，并把它转变 为对电子注实旌速度调制的有利因素，使速调管向高频段发展不再受到电子度越 时间的限制，同时由于它结构稳固并且具有较高的输出功率和效率，因此，从 4 0 年代初到6 0 年代末，大功率单注速调管得到较快速的发展 3 1 0 】。但是，随着 输出功率的不断提高。单注速调管必须使用越来越高的工作电压，原因是速调管 的效率n 与电子注的导流系数( i o o ”2 ) 有近似反比的经验关系( 见附图1 1 ) 。 若采用很大的电子注电流，效率将太低以致无法工作，为了保证一定的效率，只 能通过提高电子注的加速电压v o 来提高输出功率。 盘 毫 l j 母 图1 1 速调管的效率n 与电子注的导流系数( i o v 0 3 。) 的经验关系 查堡兰童兰墨堡壅塑簦垫皇垦箜! 茎 由于大功率单注速调管采用很高的阳极加速电压，同时电子注电流的增大 受到效率n 与电子注的导流系数反比关系的限制，因此大功率单注速调管的电子 注直流电导g 。较小，导致其效率带宽乘积较小，因为根据速调管理论，表征效 率带宽乘积的优劣因子f 正比于g o ，详见如下关系式( 1 1 ) 。 f = m 2 ( r q ) 0 0 ( 1 1 ) 正是由于提高导流系数与效率之间的矛盾导致大功率单注速调管必须采用 较小的电子注直流电导g 0 ，所以大多数单注速调管需要很高的工作电压，同时 带宽较窄。 从( 1 ，1 ) 式可以看到，若要大幅提高速调管的效率带宽乘积，就必须在保证 不降低效率的情况下大幅提高电子注直流电导g 0 ，问题的关键是如何克服上述 提到的提高导流系数与效率之间的矛盾，在这种背景下，多电子注技术的思想就 应运而生。采用多个电子注穿过各自独立的通道进行并联工作，其目的就在于既 能提高总的电子注导流系数，同时又不会使总的效率下降。因为虽然很多个电子 注的总导流系数很大，但单个电子注的导流系数并不大，反而比较小，这样按照 导流系数与效率之间的经验关系，每个电子注的注波转换效率都比较高，从而使 整管的效率也比较高。因此采用多电子注技术将会明显地提高速调管的效率带宽 乘积，并且大幅地降低工作电压。 多电子注的思想起源于法国，由b e r n i e r 提出并于1 9 4 4 年申请了专利【1 1 ) ，但 由于当时的技术水平和社会需求等各种原因，多电子注技术没有得到足够的重 视。在6 0 年代初，美国国防部为了满足1 0 相对带宽的超高功率雷达的需要， 资助美国通用电气公司研制x 波段1 m w 连续波的宽带多注速调管【8 】，该管采用 了6 个电子注，经过两年多的研制没有获得成功，后来这项技术在美国也没能得 到进一步的发展。在前苏联的情况却不同，大约从6 0 年代末开始，i s t o k 和 t o r y 两个研究机构对多电子注技术进行研究并解决了多注电子光学等多项技 术难题，最终研制出了从l 波段到k u 波段的一系列多注速调管，并广泛地用于 雷达、电视、卫星通信和工业加热等。直到9 0 年代初，俄罗斯的研究机构才公 布了他们的研究成果 1 2 - 1 4 1 ，很快就引起各国相关研究机构的高度重视，中国、法 国、美国等相继投入资金和人力开始研制( ”。驸，中国科学院电子学研究所于1 9 9 2 年开始研制，并于1 9 9 4 年研制出首支s 波段大功率宽带多注速调管1 1 5 , 16 ，使中 国成为世界上第二个研制出大功率宽带多注速调管的国家。 在过去的十几年中，研制者借助迅猛发展的计算机和软件技术，采用模拟计 算方法进行优化设计，迸一步提高了多注速调管的效率和带宽，并缩短了研制时 间、降低了研制成本，已经研制成一系列实用型的宽带多注速调 1 9 2 0 1 。工作波段 从l 波段至k 卫波段，几乎覆盖了整个微波频率范围，其中大多数为中等功率水 平，工作电压较低，并具有较大的带宽、较小的体积和重量，主要用于机动性较 强的雷达和导航系统。目前，相同输出功率水平的宽带多注速调管的工作电压比 单注速调管小好几倍，在中等功率水平一般能达到6 1 0 的相对带宽，已经接 近于耦合腔行波管的带宽水平，但效率比耦合腔行波管高得多，并且在工作电压、 整管体积和结构牢固性等方面都比耦合腔行波管有明显优势，因此在中等功率水 平的很多应用场合，宽带多注速调管已经成为一种十分重要的宽带微波管类型。 虽然多注速调管已经是一种技术比较成熟的微波管类型，但其发展仍方兴 未艾。近年来，俄罗斯、美国和法国等都相继投入了很大的人力和财力，研制用 于新一代高能粒子加速器的低频率波段超高功率连续波多注速调管以及用于雷 达和卫星通信的高性能宽带多注速调管，中科院电子学研究所也正在研制l 波段 星二空笪堡 一一一 高功率连续波宽带多注速调管和x 波段同轴腔高次模多注速调管。在未来的1 0 年中多注速调管将会向更高的连续波功率和更太的效率带宽乘积方向发展，并 继续拓广工作频率波段，以进一步扩大应用范围。根据国际权威专家预测”，它 将是2 1 世纪中最有发展潜力的几种微波管类型之一。 1 2 多注速调管的基本结构和特点 一 大功率宽带多注速调管输出段的研究 多注速调管互作用段的基本工作原理与单注速调管 2 9 - 3 2 1 相同。从电子枪发射 出的直流电子注在通过输入腔的间隙时，受到输入信号所激发的高频电场的作用 而产生速度调制；在紧接着的漂移管中速度调制转化为密度调制，这一过程称为 电子注群聚过程。当己群聚的电子注进入第二个谐振腔时，激起了第二个谐振腔 的振荡，所形成的间隙高频电场又对电子注进行第二次速度调制；随后，电子注 在第二段漂移管中再度经历群聚过程，这次群聚得更加紧密，从而使电子注中的 高频电流成分更强。这样的过程将反复进行多次，直到最后，当电子注到达输出 腔入口时，电子注的群聚达到最紧密的状态并激励输出腔产生强烈的谐振。输出 腔外接负载，并经过精心设计，使得电子注通过输出腔间隙时处于减速相，迫使 高度群聚的电子注在通过输出腔间隙时释放出大部分的能量，从而实现了把电子 注转化为高频场能量的目的。由于互作用段中输出腔主要起到把电子注的能量转 化为高频场能量并输出至外负载的作用，而其它部分主要对电子注进行调制并使 其群聚，因此，通常把输入腔至输出腔入口的那一段称为群聚段，而把输出腔和 输出组件合称为输出段。 收集极主要作用是收集已经过注波相互作用后的电子注，它紧靠于输出腔的 后面，般是由金属制作而成，前段为空心圆筒，后段为锥形底，请见图1 2 。 由于电子注经过互作用段后仍然携带相当多的能量，这些能量最终将消耗于收集 极的内表面上，所以收集极体积不能太小，而且必须进行快速冷却。为了使进入 收集极的电子注能较好的散开并均匀地打在收集极的内表面上，以便较好的散 热，需要在收集极中形成一个没有电磁场的自由空间；其次，为了避免电子注轰 击收集极内壁时，反射电子或者二次电子又进入输出腔引起杂模振荡或其它干 扰，通常要把收集极设计为带有瓶颈的圆筒形结构。由于多注速调管有多个电子 注，其电子注总截面较大，所以收集极的入口瓶颈也较大或者没设瓶颈( 图1 2 中的收集极就没有瓶颈) ，这样收集极中的反射电子或者二次电子返回输出腔的 概率就相对较大，因此多注速调管收集极结构的设计要求更加严格，结构设计不 合理就比较容易产生杂模振荡。 输入组件包括输入传输线( 通常为矩形波导或同轴线) 和输入窗。用于对电 子注进行初始调制的高频信号通过输入传输线被引入到输入腔中，输入传输线一 端与输入腔耦合，另一端必须设计为能与输入信号源连接的输入窗，输入窗主要 起到密封作用，以保持管内的真空度。由于输入信号的功率比较小，而且多注速 调管与单注速调管一样，通常都工作于饱和激励状态，在这种工作状态下，输入 组件一般都比较简单。有时为了改善输出功率的频率特性，也对输入回路做一些 改进，比如，可以在输入端口插入一个滤波器以调整实际激励功率的频率特性， 或外接一个电抗元件以调整输入腔的谐振特性口3 】，从而达到改善输出功率带内平 坦性的目的。 输出组件包括输出窗和输出滤波器。输出窗与输入窗一样，目的在于保证管 内的真空密封，但必须满足高功率和宽频带的要求，目前大多数速调管输出窗采 用a 1 2 0 3 陶瓷窗片的圆柱盒型窗。输出滤波器的作用在于增加输出带宽，一般为 三节矩形波导滤波器。多注速调管的输出组件与单注速调管类似，但通常对带宽 要求更高，另外，为了增大输出带宽，多注速调管的输出腔般都采用耦合双间 隙输出腔，因此输出波导与输出腔的耦合问题以及滤波器的设计问题比较复杂。 有关多注速调管输出组件更详细的内容将在下一节中做迸一步介绍。 由于电子注中电子的静电排斥作用会导致电子注的横向发散，为了使电子注 沿轴线行进时保持不发散状态，就必须对其进行约束( 或称为聚焦) ，而实现这 4 第一章绪论 种约束的组件就称为电子注聚焦系统。速调管中的电子注聚焦系统有静电聚焦系 统【2 l , 2 3 , 3 4 , 3 5 1 和磁聚焦系统【2 3 , 2 9 两大类，但目前般都采用磁聚焦系统，多注速调 管更是无一例外。磁聚焦系统的基本原理是在电子注行进的轴线方向上加个很 强的轴向磁场，迫使高能电子以螺旋方式行进，其螺旋半径决定于电子的横向速 度和轴向磁场强度，轴向磁场强度越强，电子的螺旋半径越小，因此电子在很强 的轴向磁场约束下将不会远离轴线，从而达到聚焦成柬的目的。产生轴向强磁场 的方法有两种，分别称为电磁聚焦( 或称线包聚焦) 1 和永磁聚焦3 9 1 。由于多 注速调管中多达十几个电子注并联工作，其总的横截面较大，所以要求在较大的 区域中轴向磁场均匀性较好、轴外横向磁场分量较小，这使得多注速调管磁聚焦 系统的设计难度较大。 冷却系统是用于对管体和收集极进行冷却的组件。由于大功率速调管中高能 电子注有相当大比例的能量损耗于互作用段和收集极中，所以通常都需要采用冷 却措施，尤其要对收集极、输出腔、漂移管和阳极头进行冷却。冷却的方式有风 冷、液冷和蒸发冷却等。多注速调管中漂移管较细、较密集，相邻漂移管壁也较 薄，这些结构特点很不利于散热，而且由于磁聚焦系统中难以克服的轴外横向磁 场分量会导致电子注的通过率降低，进一步增加了漂移管内壁产生的热量，因此， 多注速调管比单注速调管更加注重对互作用段的冷却。 大功率速调管中一般携带有真空钛泵，其功能是在管子工作时抽掉管内零件 释放出的残余气体以维持管内的真空度，并同时对管内的真空度进行监视。有关 钛泵较详细的介绍请参阅文献 2 1 ，2 2 ，4 0 1 。 1 3 大功率宽带多注速调管输出段的组成部分简介 多注速调管宽带输出段由输出腔、宽带滤波器和大功率宽带输出窗组成， 它们的类型、结构、主要功能和特点将在下面分别加以介绍。 1 3 1 输出腔 多注速调臂输出腔有单间隙腔和耦 合双间隙腔两种类型，其形状一般为矩形 或圆柱形，极少数为同轴圆柱结构，目前 大多数宽带多注速调管采用圆柱形耦合双 间隙输出腔，图1 3 是典型的宽带多注速 调管输出腔的1 2 对称结构图。 多注速调管输出腔一般? 工作于基图1 3 宽带多注遗调管镰出膛的l 2 对称结构圈 模( 矩形柱腔为t e l l o 模，圆丝为t m 0 l o 模) 只有少数多注速调管采用高次模 谐振腔件1 _ 4 ”( 包括高次模同乳“奎) 。圆柱形耦合双间隙输出腔是由两个圆柱腔串 联并于公共壁上开耦合槽形成的( 图1 3 ) 通常每个单间隙圆柱腔都工作于基 模t m 0 l o 模，但两个工作于t m o ：o 模的圆柱腔耦合后的双间隙腔有两种常用的工作 模式1 ，分别为n 模、2 棋，设计时必须结合实际问题的需要选用工作模式。 较低频率波段的多注速调管置_ 孓量减小输出腔的尺寸，一般选用订模：较高频 率波段的多注速调管输出腔厂 交小，适当增大输出腔的尺寸有利于改善输出腔 的性能，而且使加工过程容易，加工精度提高，所以常选用2n 模。 太功率宽带多注速调管输出段的研究 多注速调管输出腔的主要参数有：工作模式的特性阻抗及其均匀度、模式频 率和腔体尺寸。 输出腔工作模式的特性阻抗越大越好，均匀度越高越好。特性阻抗的定义 为： fu ：雌：型( 12 ) lq 2 吐) w 其中。代表工作模式的角频率，代表腔内的总储能。 高度群聚的电子注在输出腔中实现了注波的能量转化【2 9 ，3 0 1 ，特性阻抗正是 体现了输出腔中注波互作用强度的物理量，因此它是输出腔最重要的性能指标， 直接影响到整管的效率和带宽。由于一般的多注速调管中有十多个电子注，分布 成两圈甚至三圈，总漂移管头的直径比较大，所以各个电子注的特性阻抗稍微不 同，特性阻抗的均匀度比单注速调管略差，但每个电子注导流系数较小对整管效 率的提高足以祢补这一缺点。 输出腔必须工作于特定的频率范围，工作模式的频率与相邻模式的频率间隔 越大越好，越有利于非工作模式的抑制。若输出腔中存在与工作频率比较接近的 非工作模式，为了加强对该模式的抑制，通常在输出腔一侧祸合一个振荡频率与 该非工作模式相同的吸收腔【l 。 对于较低频率波段的多注速调管而言，输出腔的尺寸越小越好，对于较高频 率波段的多注速调管，输出腔尺寸的太小不利于提高加工精度，各孔的特性阻抗 的均匀性也较差，因此，适当增大输出腔的尺寸有利于提高整管的效率。 1 3 2 滤波器 根据速调管谐振腔中注波的互作用原理p j “，输出功率基本上正比于输出腔 的等效间隙阻抗实部，所以宽带速调管要求输出腔的等效间隙阻抗实部在相当宽 的工作频带内保持在某个预定值附近，波动范围不能超过l d b 。若输出腔直接耦 合均匀的传输线，一般都达不到所要求的带宽，因此必须在输出传输线中设计滤 波器结构【2 i 瑚。”，使输出腔的等效间隙阻抗实部在整个工作频带内随频率的变化 较平坦( 波动范围小于l d b ) ，这样才可能获得所要求的输出带宽。 一般的速调管滤波器为两节或三节，极少数采用四节滤波器结构，除第一节 是为输出腔外，其余的每一节都是传输型谐振腔。最常用的大功率宽带速调管滤 波器结构通常采用普通的矩形波导作为传输线，并在矩形波导中加电感膜片或电 感圆栓( 或称销钉) ，相邻两个电感膜片或电感圆栓之间构成一个传输型谐振腔， 成为滤波器的一节，为了获得最大的带宽，通常采用具有契比雪夫响应的滤波器 结构，这种滤波器结构称为n 节矩形波导契比雪夫型滤波器【2 1 , 4 7 。若采用一段截 止的矩形波导与输出腔耦合，则由于截止波导呈现电感性5 2 - 5 4 1 ，需要在截止波 导段中加电容圆栓构成传输型谐振腔，这种滤波器称为截止波导滤波器t 5 5 , 5 6 1 。截 止波导滤波器体积较小，但涡流损耗较大而且产生的高次模成分较多，所以在一 般情况下，多节滤波器中只有第一节采用截止波导滤波器结构，最后一至两节仍 然采用普通的波导滤波器。当大功率宽带速调管采用同轴线输出时，其滤波器结 构是在同轴线中加电感圆栓，两个电感圆栓之间构成了一个传输型谐振腔，也属 于契比雪夫型滤波器结构，这种滤波器结构称为同轴线滤波器 4 6 , 5 7 。 由于多注速调管通常具有较宽的工作频带，对滤波器的带宽要求也较高，因 6 茎二兰丝堡 一 - _ - - _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ 一一一 此一般都选用耦合双间隙输出腔加载两节或三节矩形波导滤波器，图1 2 所示的 典型宽带速调管就是采用双间隙输出腔加载矩形波导的三节滤波器结构( n f n 1 2 中组件标号7 一输出滤波器结构) 。这种滤波器结构容易加工，并且稳固可靠， 能承受很高的传输波功率，同时具有较宽的工作频带，一般可以获得6 一1 2 的i d b 相对带宽，因此是最为广泛采用的宽带多注速调管输出回路。 宽带速调管滤波器的最主要性能指标是：输出腔间隙阻抗( 或阻抗矩阵) 的 频率特性、输出带宽和高频损耗量。输出腔间隙阻抗( 或阻抗矩阵) 的频率特性 不仅决定了输出带宽，而且对整管效率也有重要的影响，因此它是宽带速调管滤 波器最关键的性能指标。单间隙输出腔的间隙阻抗只有实部和虚部两个分量，耦 合双间隙输出腔由于存在两个互作用间隙端口，其阻抗特性以2 2 的阻抗矩阵 表示，阻抗矩阵的每个元素( z 1 l z 1 2 z 2 l ，z 2 2 ) 均有实部和虚部分量，所以共 有8 各分量，但由于z 1 2 = z 2 l ，实际上只有6 个独立分量，对称双间隙输出腔的 阻抗矩阵只有4 个独立的分量，图1 4 是较理想的耦合对称双间隙输出腔间隙阻 抗矩阵的4 个独立分量的频率特性曲线。 谟一拍 图i 4s 波段的多注速调管的输出腔间隙阻抗矩阵的频率特性曲线 速调管的输出功率与输出腔的间隙阻抗矩阵的关系如下： 只。= i i 2r c ( z l i + 七2 2 2 2 + 2 蝎2 c 。s 厦用( 1 3 ) 上式中七代表第二间隙中与第一间隙中的感应电流之比，p 两间隙中心线的距离。 通常定义： z c = z i l + p z = + 2 k z l 2 c o s 口p p 称为耦合双间隙输出腔的等效间隙阻抗。 ( 1 4 ) 7 奎些主童堂墨生蕉塑篁塑些垦塑婴窒一一 若忽略第二间隙比第一间隙中高频感应电流有所减弱，而且是对称双间隙输 出腔，那么 z c = 2 ( z l l + z i 2 c o s 卢。p ) ( 1 5 ) 输出带宽是指输出腔的等效间隙阻抗实部随频率变化而波动不超过l d b 或 3 d b 的频率范围，有时也定义为输出腔的等效间隙阻抗实部不低于某个设定值的 频率范围，因此输出带宽完全由输出腔的间隙阻抗( 或阻抗矩阵) 的频率特性决 定。图1 5 口砚是在滤波器结构设计较理想的情况下，n 节速调管滤波器加载输出 腔的等效间隙阻抗实部的频率特性，从该图可以看出不同节数的速调管滤波器相 对应的输出带宽。 鑫 魁 一0 。麓，。封l t， i - 宴i l , 商节滤渡毒。3 - 三节i 髓t 囊。卜西节i i 浚器 图1 5n 节速调管滤波器加载输出腔的等效间隙阻抗实部的频率特性 由于一般的多节波导滤波器的高频损耗量不大，对输出功率和带宽影响甚 微，所以大功率速调管中通常都不需要考虑普通波导滤波器的高频损耗量。截止 波导滤波器的高频损耗量相对较大一点。但只是其中一节，其损耗量也应该不会 太大，到目前为止，还没有见到有关的定量计算和研究结论。 1 3 3 输出窗 微波管为了保持管内真空度，必须用介质片封住输入和输出波导端口，如 果在均匀波导中简单地插入一片介质，将会导致传输波在介质片处产生强烈的反 射，因此需要以介质片为中心设计一种具有带通特性的结构，这种结构就称为微 波窗，包括输入窗和输出窗。常用的大功率宽带速调管的输出窗有三大类型，分 别是：圆柱盒型窗，介质阶梯窗，大功率同轴线波导转换窗。 圆柱盒型窗的主要结构f z f 是在一段横截面较大的圆波导中的适当位置处插 入一片较薄的介质窗片，两端面连接矩形波导，窗的形状就像一个圆柱盒。圆柱 盒型窗分为对称型和非对称型两种，若与圆柱盒型窗两端连接的矩形波导完全相 同，则介质窗片也处于圆柱盒的正中间，这种窗称为对称型圆柱盒型窗；若圆柱 盒型窗两端连接的矩形波导不相同，则介质窗片的位置一般要偏离圆柱盒的正中 间，这种窗称为非对称型圆柱盒型窗。 第一章绪论 圆柱盒型窗的工作频带较宽，不管是对称型圆柱盒型窗还是非对称型圆柱盒 型窗，通过调节介质窗片的厚度和两边圆形波导段的长度，一般都可以得到1 0 以上的相对带宽。若在两端面与矩形波导连 接处加适当的电感模片，还可以进步改善 传输特性，增大带宽。其次，圆柱盒型窗结 构简单牢固，加工容易，并且能承受较高的 传输波功率，因此被广泛应用于大功率宽带 微波管中。目前绝大多数的大功率宽带多注 速调管都采用圆柱盒型窗作为输出窗，介质 窗片为a 1 。0 ，陶瓷，图1 6 为典型的圆柱盒 型窗的结构图。 圈l6l 波爱帽对带宽i “的四柱盒形窗的总律结构圈- 圆柱盒型窗的工作主模为圆t e l l 模，电场极化方向平行于矩形t e l o 模的电 场方向。矩形波导t e i o 模在圆柱波导中除了激励起工作主模( 圆t e l l 模) 外， 还激励起其它的非主要模式，由于矩形波导对一些非主要模式截止，因此这些非 主要模式只能存在于圆柱波导区域中，从而形成振荡模式，这些振荡模式称为鬼 模。鬼模对微波窗有严重的危害性口9 舢】，通常必须要将其移出工作频带，以避免 鬼模振荡造成微波窗损坏。 介质阶梯窗是多节契比雪夫阻抗变换器结构【2 “，见图1 7 ，这类微波窗具有 很宽的工作频带，但设计和加工较困难，并且功率容限比圆柱盒型窗低。但由于 工作在高频率波段( 如x 波段) 的圆柱盒型窗的窗片很薄，不易加工并且容易断 裂，采用介质阶梯窗或许是一种较好的选择。 眶一匾 忙渤 耻) 图l _ 7 几种介质阶梯窗的结构剖面示意图 高功率同轴线一波导转换窗有天线阵子式和门钮式两种类型f 2 l 】，结构都较复 杂并且流线型结构的精度要求很高，很难设计和加工，见图1 8 。 图i 。8 两类可以传输高功率微波的同轴线矩形波导转换窗 查些垩壅堂童堡望塑笪塑些壁竺竺塞 一一 这种类型的输出窗有很好的耐击穿能力，能承受很高的传输功率，但工作频 带不够宽，在矩形波导中加适当的电感摸片并通过精心设计和加工才可能获得接 近l o 的相对带宽，一般只应用于采用同轴线输出的高功率微波管。 1 4 研究大功率宽带多注速调管输出段的重要意义 多注速调管中采用多电子注技术的结果是在大幅提高总电子注电流的同时 降低了单个电子注的导流系数，从而在相同输出功率水平的情况下，大幅降低了 工作电压，提高了群聚效率，增大了群聚带宽。但速调管( 不管是单注管还是多 注管) 的实际带宽不仅取决于群聚带宽，而且还取决于输出段的带宽。为了充分 挖掘多电子注技术的群聚带宽潜力，进一步提高多注速调管的实际带宽，就必须 研究和设计出足够宽带的输出段与之配合，这就对输出段的带宽提出了较高的要 求。在有些情况下，采用传统的宽带速调管滤波器结构达不到所需的带宽要求， 因此必须研制新型的宽带滤波器结构或采用新的宽带技术。 输出段的结构和性能不仅对多注速调管的带宽和效率有决定性的影响，对管 子的稳定性也有重要的影响。特别是在多注速调管中，通常都采用耦合双间隙输 出腔或其它宽带技术以增加带宽，这些结构比较容易引起振荡。深入研究输出回 路的性能、较精确地计算和测量输出腔的间隙阻抗矩阵频率特性、合理地设计输 出回路的结构，对排除多注速调管中的振荡问题十分重要。 随着计算机和软件技术的迅猛发展，模拟计算方法日益受到重视，各种各样 的计算机辅助设计方法不断涌现，但速调管宽带输出回路的模拟计算方法还没有 完整地建立起来。速调管输出腔加载滤波器宽带输出回路的传统设计方法只能给 出滤波器的等效电路参量，各个部分的实际尺寸主要靠冷测调试完成，这种设计 过程既艰苦又费时，并且难以达到理想设计。若采用模拟计算方法，将无需通过 冷测就可以对滤波器的结构进行优化设计，并且能比较精确地给出滤波器各个部 分的具体尺寸，这将使多注速调管滤波器宽带输出回路的设计时间缩短、研制费 用降低，同时还可以利用模拟计算方法探索新的宽带技术，设计出新型的宽带输 出回路结构。因此，发展多注速调管滤波器宽带输出回路的模拟计算方法是一项 十分重要而迫切的工作。 多电子注技术不仅被用于提高带宽，而且还被用于大幅提高连续波输出功 率。因为超高功率连续波速调管需要保证较高的整管效率以减轻管体和收集极散 热的压力，为了获得较高的群聚效率，就必须采用较小的电子注导流系数，但电 子注的阳极加速电压又不能无限制的增大，否则电子枪内的电场强度太强会导致 真空击穿，因此，为了获得很高的输出功率又必须采用很高的电子注电流( 有些 高达5 0 0 a ) 1 6 1 1 ，如何克服很高的电子注电流与高效率之间的矛盾就成为了最关 键的问题。采用多个电子注并联工作，既可以保证每个电子注的导流系数较小以 获得较高的群聚效率，又可以得到很大的总电子注电流，从而解决了很高的电子 注电流与高效率之间的矛盾，若同时采用尽可能高的工作电压，就能在较高效率 的情况下获得很高的连续波输出功率。正因如此，目前美国和法国正在集中力量 发展用于高能粒子加速器的超高功率连续波多注速调管，现已研制成功了l 波段 1 0 m w 的超高功率连续波多注速调管，并计划研制l 波段1 g w 的超高功率连续 波多注速调管1 1 4 ”j ，中科院电子学研究所也正在研制用于电子对抗的高功率连续 波宽带多注速调管。由于高功率和超高功率的连续波多注速调管的能量损耗量很 大，所产生的大量热量必须能及时消散，从而对输出腔、输出窗和收集极等的散 第一章绪论 热能力提出了很高的要求，因此对多注速调管输出段的高频损耗、散热能力和连 续波功率容限等问题进行研究很有必要。 机动性较强的雷达、导航系统和电子对抗设备不仅对所用大功率微波管的带 宽、效率、输出功率和稳定性有一定要求，而且对微波管( 尤其是低频率波段的 微波管) 的体积和重量也有一定要求。虽然较低频率波段的宽带多注速调管已经 具有较小的体积和较轻重量，但仍然需要进一步缩小整管体积。因为宽带速调管 通常所采用的双间隙腔加载矩形波导三节滤波器宽带输出回路的体积较大，在整 管的总体积中占相当大的比例，因此有必要探索如何使输出段缩小。若能研制出 具有较小体积并且性能指标良好的新型输出腔和宽带滤波器结构，将可以明显地 减小大功率宽带多注速调管的体积和重量，从而扩大其应用范围。 综上所述，对多注速调管宽带输出段的结构和性能进行深入地研究，探索具 有良好性能的新型结构，建立起完整的模拟计算方法，这必将对多注速调管的进 一步发展起到十分重要的促进作用，使其在通信、雷达、电子对抗和高能粒子加 速器等高技术设备中得到更好的应用。 参考文献 i r h v a r i a na n ds f v a r i a n a h i g h a m p l i f i e r ，j a p ，v 0 1 1 0 ，1 4 0 ，1 9 3 9 k o m p f n e r “t r a n s i tt i m ep h e n o m e n ai ne l e c t r o n i ct u b e s w i r e l e s se n g v 0 1 1 9 ，1 9 4 2 l f b r o a d w a y e ta l ，v e l o c i t ym o d u l a r i o nv a l v e s j i b ev 0 1 9 3 i i i a ，8 8 5 ，1 9 4 6 m c h o d o r o we ta 1 d e s i g na n dp e r f o r m a n c eo fah i g hp o w e rp u l s e d k l y s t r o n ，p i r ev 0 1 4 1 ，1 5 8 4 ，1 9 5 3 c h a l kg 0 e t a l ， a 5 - c a v i t y x - b a n d k l y s t r o na m p l i f i e r j e l e c t r o n i c s ，v 0 1 2 ，n o 1 ，5 0 ，1 9 5 6 p ，g r ，k i n g ， a5 一b a n d w i d t h2 5 脚s - b a n dk l y s t r o n ，p i e e ，1 0 5 ( b ) s u p p l n o 1 2 ，8 1 3 ，m a y ，1 9 5 8 l d c l o u g he ta l ， a h i g he f f e c i e n c y1 5 m w4 0 0 m c sp u l s e dk u l s e d k 1 y s t r o n7 ，j e l e c o n t r 1 2 ，2 ，1 0 5 ，1 9 6 2 m r b o y d ，e ta l ， t h em u l t i p l e b e a mk l y s t r o n ，i r et r a n s e d 一9 ， 3 ，2 4 7 ，1 9 6 2 h g o l d e ，at r a v e l i n g w a v ed e s c r i p t i o no fd e s t r i b u t e di n t e r a c t i o n k l y s t r o n s ，i r et r a n s e d 一9 ，1 ，5 7 1 9 6 2 d h p r