加速器微波技术讲座总课件

低能电子直线加速器微波技术基础Ⅰ.微波与电磁波谱简介Ⅱ.电磁波基本知识回顾Ⅲ.微波技术的主要特点Ⅳ.导行波系统及传输线理论Ⅴ.微波在波导管中的传输Ⅵ.常用的微波元件Ⅶ.驻波加速器的微波传输系统举例Ⅰ.微波与电磁波谱简介微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红外线之间的波段。波长不同的电磁波在产生、传输技术及应用等方面都将具有不同的特点；发展了不同的学科。微波波段

频率f:300MHz~300GHz波长λ:1m~1mm代号 f（GHz）标称波长（cm） L 1~2 22 S 2~4 10C 4~8 5X 8~12 3电磁波的产生电荷激发电场电力线+

-电流激发磁场没有单磁极子磁力线是围绕电流的闭合曲线

EH随时间交变的电场感生交变的涡旋磁场随时间交变的磁场感生交变的涡旋电场电磁波的产生交变电场与交变磁场交互感应，相互支持，在空间形成统一的从振源开始，由近及远，在空间传播的电磁波振源近区的场分布很复杂，远区则呈球对称分布。在离源更远的区域，球面则近似为平面波。xyzxyzω真空或理想无损媒质（导电率σ=0）横电磁波（TEM波）按单一频率ω正旋规律变化的平面电磁波是简谐等幅的行波。电磁波传播速度与频率无关，决定于介质的介电常数ε和导磁系数μ在真空中即为光速.C≈3×108米/秒。波阻抗η=Em/Hm在真空中η0=377Ω平面电磁波在均匀无损媒质中的传播平面电磁波在良导体中传播的特点β很大，波相速很慢。η很小，波阻抗低，即磁场较强，电场较弱。α很大，衰减很快。定义趋肤深度δ为场强衰减到1/e=0.368倍的距离。例：铜σ=5.8×107米/秒

f=3000MHz条件下

δ=1.2微米良导体电磁波在媒质交界面的传播特性媒质1中的一束入射波在交界面处将产生一束反射波和一束透射波。线性媒质中三束波的频率一致。三束波的波矢量同在一个入射平面上；入射平面与交界面相互垂直。反射角与入射角相等θr=θi

折射角与入射角有关系式为：三个波的波幅关系要满足介质交界面处电磁场的边界条件三个波的波幅关系要满足介质交界面处电磁场的边界条件介质1介质2理想介质（σ1=σ2=0）交界面上没有自由电荷也没有传导电流。E1t=E2tε1E1n

=ε2E2nH1t=H2tμ1H1n

=μ2H2n理想导体（σ2→∞）交界面上有薄层（自由）面电荷ρs

和（传导）面电流js。在理想导体表面处，入射波和反射波合成的结果满足：电力线一定垂直于导体表面。磁力线一定平行于导体表面。良导体（如铜，银等）σ很大，可近似为理想导体处理。++

+

++++理想导体σ2→∞E=0B=0.ρsjsE1t=0

D1n=ρsH1t=js

B1n=0理想导体表面的边界条件Ⅲ.微波技术的主要特点普通无线电波段使用的振荡管和放大管不能用于产生或放大微波。微波波长与元器件的尺度可相比拟；趋肤效应、辐射效应及延时效应明显表现，不可忽略。不能用任意形状的导线来传输微波。微波元器件中的电场与磁场是相互依托，共同存在的；没有单纯的电阻R、电感L或电容C等集中参数的元器件及相应的由L和C组成振荡回路。微波测量的基本参量不可能是电压、电流或电阻；而是频率f、功率P、波的散射参量及等效的阻抗参量。普通栅控电子管在微波波段不能正常工作例：电子渡越时间τ≈10-9秒微波周期T≈10-9~

10-12秒阴栅分布电容C’~10-12法(μμf)f~

106Hz1/(ωC’)~106Ωf~

1010Hz1/(ωC’)~100ΩC，Ⅳ.导行波系统及传输线理论⒈导行波系统简介⒉平行双线和同轴线传输的TEM波⒊TEM波传输线的等效电路⒋传输线的等效电路理论

（无损传输线方程的一般解）⒌传输线工作状态的分类⒍传输线的状态参量导行波系统（引导电磁波定向传输的传输线）如何正确选取传输线？为什么不同频段需采用不同的导行波传输线？⒈导行波系统简介功率容量衰减大小频带特性尺寸合理性电源负载各种传输线2.平行线和同轴线传输的TEM波··················································××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××·························××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××λ························································××××××××××××××××××××××××××HEE×HEHE×H⒊TEM波传输线的等效电路沿线分布串联阻抗和并联导纳Z1=R1+jωL1Y1=G1+jωC1无损条件下，可忽略R1，G1微波频率下ωL1＞＞

R1，

ωC1＞＞G1

Z1=jXL=jωL1

Y1=jXC=jωC1分布参量R1、G1、

L1、和C1随频率变化吗？C1C1C1C1C1L1L1L1L1L1R1L1C1G1R1L1C1G1平行线和同轴线的分布参数⒋传输线等效电路理论电源通过沿线的分布电感逐步向分布电容充电，形成向负载传输的电压波和电流波。长线理论解电路方程，可求得线上分布的等效电压和电流波：

u(z,t)

,i(z,t)注意：习惯将坐标原点放在

负载参考面。

zo～ZLi(z,t)u(z,t)电源负载无损理想传输线方程的一般解⑴线上电压和电流分别都是由入射波和反射波叠加而成。⑵四个波的相移常数β相同，且波相速VP相同，并无色散。⑶入射波电压与电流的幅值比及反射波电压与电流的幅值比相等；

定义为：传输线的特性阻抗Z0⑷VP和Z0仅与传输线的L1,C1

有关，与电源的频率f和功率P无关。也与负载阻抗ZL无关。

u(z,t)=ui(z,t)+ur(z,t)i(z,t)=ii(z,t)+ir(z,t)

ui(z,t)=UimSin(ωt+βz+φi)

ii(z,t)=IimSin(ωt+βz+φi)

ur(z,t)=UrmSin(ωt-βz+φr)

ir(z,t)=IrmSin(ωt-βz+φr)电源的f、P和负载ZL对传输线工作状态有影响吗？VPβωZ0ω│Umax││Umin│t1t2t3t4驻波状态

全反射（例：终端短路ZL=0）

Urm=Uim入射波与反射波合成，保证负载处

u(0,t)=0

纯驻波像弦振动一样原地振荡，不向前传播。沿线存在驻波腹和波节点，两者相距（λ/4）距离。波峰Umax=2Uim，波节Umin=0

入射波与反射波合成驻波终端短路ZL=0

u(0,t)=0

全反射Uim

=Urm

Iim

=Irm

φr

=π

u(z,t)=2UimSinβzCosωti(z,t)=2IimCosβzSinωtu(z,t)=Uimsin(ωt+βz)+Urmsin(ωt-βz+φr)

i(z,t)=Iimsin(ωt+βz)-Irmsin(ωt-βz+φr)终端开路ZL=∝i(0,t)=0

全反射Uim

=Urm

Iim

=Irm

φr

=0

u(z,t)=2UimCosβzSinωti(z,t)=2IimSinβzCosωt电流驻波与电压驻波在时间上相差（π/2）空间上相差（λ/4）距离。电流驻波与电压驻波在时间上相差（π/2）空间上相差（λ/4）距离。

沿线的输入阻抗是以（λ/2）为周期变化的。

λ/4线具有阻抗倒转性。全反射驻波的输入阻抗Zin(z)纯虚数负载全反射

纯感负载ZL=jXL纯电容负载ZL=jXL电容负载ZL=-jXC问题：纯虚数负载输入阻抗Zin(z)=?混波状态负载吸收部分功率，其余反射反射波小于入射波Urm＞Uim

ZL=R+jX≠Z0沿线也存在驻波波腹和波节点，波峰Umax＜2Uim，波节Umin＞0

电流驻波与电压驻波在空间仍相差（λ/4）距离。沿线的输入阻抗也是变化的。

线上是存在一个行波加一个驻波的混波状态

传输线的状态参量反射系数

驻波系数

输入阻抗

│Umax││Umin│λ/2lminlminoT参考面传输线的状态参量转换关系三套参量，同一对象；可相互转换电压反射系数与电压驻波比(VSWR)引入功率反射系数1.00∝1.0纯驻波时ρ=？│Γ│=？行波状态时ρ=？│Γ│=？ρ=1.2Pr/P0=？≤0.01Ⅴ.微波在波导管中的传输1.概述：波导管可以传输什么样的电磁波？波导是怎样传输电磁波的？2.矩形波导中的电磁波波导模式（波型）TE及TM波的传输特性及参量矩形波导的主模TE103.圆波导中传输的电磁波简介4.波导传输微波的功率特性波导管可以传输什么样的电磁波？空心金属管中电磁波不可能自由传输必须满足电磁场的基本规律必须满足金属边界条件空心金属管中能否存在静电场？矩形波导管中能否存在均匀分布的简谐场Ey=Emsinωt?空心波导管能否传输TEM波？微波理论和实验证明波导管中可以传输TE和TM波

TE波(

H波)横电波（磁波）有Hz分量

TM波(E波)横磁波（电波）有Ez分量（不能）（不能）（不能）xzy

波导管是怎样传输电磁波的？TEM波斜射进入波导，受金属壁来回往返反射，曲折前进，通过波导。入射波和反射波叠加合成，可以在波导中形成各种各样的TE,TM波。每个波型的电磁场在金属边界均满足

Et=0Hn

=0横截面内是驻波场；波导管是怎样传输电磁波的？理论分析结果每个波型在边界的入射角与波长λ必须恰当配合，才可能保证金属边界是切向电场Et和法向磁场Hn的波节点。理论证明λ越长,θ越小；λ=λC

时θ=0；波不再可能纵向传输；称λC为截止波长。不同的波型具有不同的λC。沿纵向传输的导波波长（相波长）λg不同于自由波长λθaλλg不同的波型在纵向传输的相速VP及导波波长λg也不相同；例（如图为某一波型）矩形波导的电磁波存在无穷多个TEmn和TMmn的本征模式(m=0,1,2..n=0,1,2…)mn是模式标号，分别表示宽边和窄边上的驻波波腹数本征模式：可以单独存在的某一种基本的电磁场形态各种模式的场可以叠加成复杂的场存在与波导中。通常采用单模工作状态。矩形波导中TE和TM波的传输特性参量由波导尺寸（a，b)及模式标号决定。TEmn，TMmn波型不同，λc相同。TE和TM波是色散波相速和群速均随频率变化λc2ba2aTE30TE01TE20TE10截止单模多模区λcλVTEMCVp>CVg>CVg=Vp矩形波导的TE10模的λC最长，称为最低模称其他模为高次模。

TE10模的λC=2a,λ>2a,则全都截止。TE10模可实现单模工作，是矩形波导的主模。矩形波导传输的主模TE10常用10cm波段的波导a≌7.2cmb≌3.4cmλC=14.4cm

fc=?f=2998MHzλ=10cmλg=?13.9cm~2080MHz圆波导中传输的电磁波简介基本概念与矩形波导一样TEM波斜射，金属壁反射无穷多TEmn,TMmn

本征模m标注辐向，n标注径向λ＜λc

可传输，λg＞λ，Vp＞c

常用的模式特点TM01有EZ场,可用与和电子相互作用（加模片成盘菏波导)TE11

最低模，辐向变一周期径向有一波腹，用于与矩形波导连接（波导窗，磁控管的方圆转换）TE01

圆电模式,损耗最小,高Q腔⑴功率容量

最大允许通过功率Pmax（平均值）与波导尺寸，工作频率及场强Em

有关。

Pmax受限于场强Em

的击穿值Eb，与

波导的清洁度及光洁度有关，但更主要的是决定与波导内的介质情况。实际值往往仅为理论值(20~30)%例：72x34mm2

波导,理论(2.2~3.2MW）

⑵提高击穿值Eb可采用的措施：

抽真空(低真空Eb最低）充干燥过滤的压缩空气或氮气（2~3气压，太大波导会变形）充SF6气体波导传输微波的功率特性30EbpKV/cm760mmHg实际波导金属材料不是理想导体，是良导体。电磁波在内壁有高频感应面电流（例TE10

波）传输过程中，波导发热，功率损耗，指数衰减。

E(z)=E0e-αzP(z)=P0e-αz衰减单位（分贝，db)

A=3dbP=0.5P0A=10dbP=0.1P0A=20dbP=0.01P0⑶损耗与衰减Ⅵ.常用的微波元件1.无源微波传输元器件的作用2.各种微波元器件简介匹配负载，短路活塞，波导同轴转换衰减器，移相器，波导三通（E-T,H-T)定向耦合器波导双T和魔T3.波导使用时的几个实际问题无源微波传输元器件的作用定向传输：弯波导，角波导，扭波导分配&合成：E-T,H-T，功率调配：衰减器，移相器定向耦合：定向耦合器，波导桥隔离去耦：隔离器，环流器阻抗匹配：吸收负载，阻抗调配器波型转换：同轴线与波导，方圆转换盘菏波导耦合器其他：波导窗，波导三通内部没有电子束运动的器件叫无源器件微波元件的功能在于对微波进行各种变换，以达到各种目的。弯波导，角波导，扭波导保证微波定向传输，机械安装要求主要要求，附加反射小