装备预先研究项目建议书(8mm高功率宽频带回旋行波管研究)

#装备预先研究项目建议书军用电子元器件技术.项目编号：项目名称：8mm高功率宽频带回旋行波管研究起止时间：建议单位：电子科技大学一、军事需求与国内外研究状况1、军事需求分析现代战争是高科技战争，战争双方谁拥有最先进的高科技武器，谁就能掌握战争的主动权，否则只能处于被动挨打的地位。因而在高科技战争中，成功地干扰敌方雷达和武器系统，使之陷入瘫痪，同时对敌方来袭目标进行远程预警、实行有效地探测和识别精确跟踪，引导我方武器系统，包括高功率微波武器，摧毁敌方目标，保护我方的雷达及指挥系统免受敌方的干扰，是赢得胜利的重要手段。高功率毫米波具有波束窄、分辨率高、能量密度高、抗干扰能力强，是新概念定向能武器研究、高功率毫米波预警雷达、相干雷达及相控阵雷达、强力电子干扰和对抗的理想毫米波源，在军事上具有重要作用。普通微波管由于机理限制，在毫米波段零件尺寸小，加工难度大，阴极发射密度有限，散热困难等因素，使它难于达到高功率，特别难于达到高的平均功率。而以相对论质量效应为基础的回旋行波管放大器能在毫米波、亚毫米波段产生高峰值功率，高平均功率和宽带宽，是高能毫波波雷达特别是毫米波成像雷达、定向能武器系统研究的高能毫米波、亚毫米波源，在国际上受到各军事强国的高度重视，取得了长足的发展，并迅速成为高功率微波、毫米波研究的前沿及热点。1989年俄罗斯利用两支峰值功率为500kW,平均功率为5kW的回旋速调管研制成Ka波段的相控阵雷达Ruza。该雷达能同时跟踪30个

近地轨道小截面目标，对截面为0.01m2目标探测距离为420KM。图1俄罗斯毫米波相控阵雷达RuZa图2用于相控阵雷达RuZa的前级行波管和回旋速调管放大器回旋放大器及毫米波雷达在军事领域的诱人前景，促使美国在上世纪90年代投入大量的财力和科研人员开展毫米波回速调管放大器及相应雷达系统的研究工作。海军实验室，CPI，Litton公司与马里兰大学(U.M)共同攻关，2001年利用回旋速调管放大器研制出机动的W波段毫米波雷达系统WARLOC,该雷达系统装载在两个拖车上(40X80inch2和20X80inch2),移动非常灵活方便。该雷达克服了厘米波雷达的不足，用于掠海面飞行目标的探测和跟踪，能有效消除低空及近海面杂波干扰，识别低空飞行的巡航导弹等目标。图3美研制的W波段雷达系统WARLOC原理框图从高功率毫米波俄美都首先装备在大功率毫米波雷达系统可以看出军事上大功率毫米波及亚毫米波强大需求，也是推动其迅速发展的强大动力。随着输出功率、效率、带宽的不断提高，大功率毫米波预警雷达，毫米波成像几精确跟踪雷达，毫米波超级干扰机及毫米波定向能武器将会不断研发出来。高功率毫米波反隐形技术，高能毫米波束对导弹、飞机、武器装备的电子系统的软杀伤和硬杀伤及生物效应的研究正发展成为了新型热门研究方向。（1）大功率毫米波预警雷达毫米波波束窄、分辨率高、能量集中。俄罗斯毫米波相控阵雷达RuZa探测距离达到420KM,随着功率的进一步提高及采用功率合成技术，大功率毫米波预警雷达作用距离可以达到1000kM以上，实现远程预警，和其他大功率毫米波雷达配合，完成目标的锁定，识别和精确跟追。随着功率提高，未来有可能在高空预警卫星上装配高功率毫米波系统，大大提高预警范围和准确性。（2）毫米波定向能武器定向能武器是未来的战场的“杀手锏”，它包括激光武器、粒子束武器和微波束武器。其中微波束武器中以毫米波定向能武器威力最大，最具发展潜力。以光速打击目标。利用高能毫米波源和高增益定向天线辐射出强大的毫米波射束，不同与常规武器靠弹头和碎片的能量打击目标，而是靠以光速或接近光速行进的射频电磁波能量打击目标，因而它是“射频武器”，一旦发现目标，进行攻击，目标根本无法逃避有效破坏电子设备。与常规武器、激光武器和粒子束武器相比，毫米波武器并不需要直接破坏和摧毁飞机、导弹、卫星及其它装备，而是通过强大的电磁波辐射产生强感应电流，破坏它们内部的电子设备，使其丧失战斗力。毫米波反隐身技术。由于隐身设计通常是针对厘米波段雷达的，因此毫米波雷达具有一定的反隐身能力。同时隐身材料主要是通过采用吸波材料达到隐身的。高功率微波武器能提供更高的束能密度，在遭到高功率毫米波照射时，隐形装备的吸波材料会发热变形，重者能烧毁丧失作战能力。全方位大范围的打击。毫米波武器可攻击的目标非常之多，卫星到洲际导弹，巡航导弹、飞机到通信器材、雷达、计算机和其它光电器材，只要处于强电磁波的覆盖区内，都将遭受致命的“打击”。毫米波类似于激光束，射束不像激光束和粒子束那样必须汇集得非常细才能发挥威力，其波束较宽，且能量衰减慢，因而可打击较大的目标区；毫米波武器的作用时间短，作用距离较之激光武器和粒子束武器更远；适当选择微波辐射频率，可使相应对抗的措施复杂化，令对手防不胜防。因而是定向能武器库中的“超级明星”。除军事应用外，高功率毫米波在受控热核聚变寻找新能源研究、毫米波通信、高能加速器等科学及民用领域具有重要应用。为了提高我国的国际地位，增强国防实力，打赢未来高科技战争，急需大力发展这类高功率毫米波武器系统，特别是其“心脏”—高功率毫米波源，这一点得到了总装领导及机关的高度重视。国内“十・五”启动了高能毫米波源—回旋速调放大器及毫米波雷达的研究，高能毫米波源—回旋速调放大器研究已取得突破。但回旋速调放大器相对带宽一般小于1%，因而在毫米波成像雷达，毫米波超级干扰机及毫米波定向能武器应用受到限制。回旋行波管具有宽的频带（5%-20%），回旋行波管技术研究将彻底摆脱回旋速调放大器频带限制，因而是美俄目前研究的主流方向。开展高功率宽频带的毫米波回旋行波管研究，不仅使该领域研究步入国际研究前列，而且使研制高功率毫米波成像雷达成为现实，为开发一批未来新概念军用毫米波武器装备奠定基础。2、国内外研究现状回旋行波管在毫米波波段具有频带宽、功率大等优点，在毫米波雷达、电子战、毫米波通讯等方面有着十分诱人的应用前景，因而在国际上受到很大重视。从上世纪80年代开始，美国NRL、瓦里安(Varian、美加州大学洛杉矶分校(UCLA)、戴维斯分校(UCDavis)先后在厘米波段、Ka及W波段进行了研究工作。由于自激振荡的限制，要得到高增益与高功率碰到了困难。自激振荡源于两个方面，一是工作模式和其他模式绝对不稳定性所造成的自激振荡，当电流超过其门槛值时，振荡便会发生；另一种自激来自于能量输入、输出端及内部不均性的反射引起的工作不稳定或自激。绝对不稳定性引起的振荡可用通过提高电压，降低电子注横向纵向速度比，增大输入功率等方法来抑制。同时像普通行波管一样，加上内部集中衰减器将互作用区隔离为两段或多段来抑制振荡。研究还发现，减少电子注轴向速度零散会使增益与带宽增加。经过多年研究，回旋行波管性能取得了长足进展，回旋行波管发展中标志成果见表1。表1回旋行波管发展中标志成果年份单位谐波次数/模式注电压(kV)中心频率(GHz)峰值功率(kW)饱和增益(dB)效率(%)3dB带宽(%)1979NRL1/TE01703516.6207.81.51979Varian1/TE11605120182661980NRL1/TE0170353.2421.521981NRL1/TE01703518131989NTHU1/TE11803518.41818.6101989UCLA8/TE8135016.20.5101.354.31990NTHU1/TE119035623321121991NRL1/TE10(矩形)333420331991NRL1/TE11900352000030111990Varian1/TE1150942030821995NRL1/TE10333582516201995UCLAandUCDavis1/TE218015.620716132.11995NTHU1/TE1110035623321121998NTHU1/TE1110035937026.58.61998IAP2/TE11+TE211859.4110037292120世纪90年代初，台湾清华大学(NTHU)的朱国瑞教授领导的研究组对回旋行波管进行了深入的理论分析与细致的模拟计算，通过对自激振荡的机制分析，提出分布衰减的波导段来代替起切断作用的集中衰减，利用此结构的回旋行波管在性能上有很大突破，研制的回旋行波管如图4。在一百千伏注电压下，得到了如下实验结果：中心频率35GHz,峰值功率93kW,3dB带宽8.6%,效率26.5%,增益高达70dB,实验所得饱和功率与饱和增益如图5a与5b所示。图4台湾清华大学(NTHU)研制的高增益回旋行波管图5饱和输出功率(a)和增益(b)与频率的关系上世纪在90年代，俄国科学院应用物理研究所的G.G.Denisov等人提出一种螺旋槽波纹波导代替光滑壁波导如图6a，这种螺旋槽从根本上改变了小轴向波数区域波的色散特性,他们从理论分析与计算上证明这种结构能大大减少回旋行波管放大器对电子速度零散的敏感性和增加带宽，并能得到高的功率。这种新结构的回旋行波管如图6b所示。俄英合作开展了X波段二次谐波回旋行波管的实验工作,利用200kV，25A的电子注产生了1MW的输出功率，增益23dB，效率20%，新近的X波段2次谐波的实验，在固定电压与磁场下，得到了1.1MW的峰值功率，饱和增益37dB，效率29%，频带从8.4至10.4GHz。近年来俄科学院应用物理研究所开展了电压低于100kV的Ka波段这种新结构的回旋行波管实验，实验管的结构如图6所示，8mm波段二次谐波工作，最大效率27~28%，饱和增益25dB，线性增益30-35dB，最大脉冲输出功率180kW，注电压80kV，电流8.5~9A，带宽35.1~36.8GHz，带宽受限于激励源。螺旋槽新结构的回旋行波管很有前途，可望作成低磁场高脉冲功率及高平均功率（10kW量级平均功率）、高增益、宽频带毫米波放大器，在毫米波雷达、电子战、毫米波武器研究方面有很大应用前景。图6a螺旋槽波纹波导图6b螺旋槽结构的回旋行波管目前国际发展的主要趋势是：进一步探索提高增益、高输出功率、特别是高平均功率、增加其带宽的新技术；工作频段向短波长（3mm及亚毫米波段）发展；采用高次谐波，降低磁场要求，实现永磁包装；提高稳定性、可靠性，进行实用化研究。电子科技大学“十•五”开展回旋速调放大器研究，研究已取得突破。研制出脉冲功率大于150kW，带宽大于200MHz的回旋速调放大器图7。要满足雷达整机单位对毫米波成像雷达源带宽1GHz—2GHz要求，急需开展8mm回旋回旋行波管放大器研究。图7电子科技大学研制的8mm回旋速调放大器二、研究目标、研究内容与技术指标1、研究目标回旋速调放大器具有高峰值功率、高平均功率，但其相对带宽一般小于1%，因而应用受到限制，回旋行波管具有较宽的频带，可以达到10%以上。项目进行8mm高功率宽频带回旋行波管理论分析，数值模拟，样管研制及实验研究。掌握8mm回旋行波管关键点和难点，部件及整管设计方法。研出脉冲功率100KW，增益40dB，带宽2GHz的8mm高功率宽频带回旋行波管。2、研究内容及关键技术进行8mm回旋行波管进行理论分析，数值模拟，实验研究。磁控注入电子枪计算机模拟设计；高频系统色散特性研究及电子注与高频场互作用模拟计算；提高功率容量，增益、效率与拓宽频带研究；结构工艺研究；整管优化设计及样管研制。研究中突破的关键技术新型注-波互作用高频系统研究。回旋电子注在分布加载衰减及光滑波导组成的复合高频系统中注-波互作用，有效抑制返波振荡和竞争模式，实现高功率、高增益、宽频带稳定工作。螺旋波纹波导系统能在相当宽的频带内与电子注进行良好的互作用，相对带宽可望达到20%。对目前国际上这两种主流高频结构进行深入研究，提高究注-波互作用效率，实现研究目标。回旋电子注在高频系统中互作用的非线性理论研究与数值模拟，探讨提高互作用效率、输出功率及带宽的方法。磁控注入电子枪及电子光学系统研究。电子注速度零散会严重影响回旋行波管的高频性能，为保证回旋行波管放大器有大功率输出，需要大电流，这就需要根据实际磁场进行新结构电子枪优化设计，降低速度零散，满足高效互作用高频系统对电子注参量要求。回旋行波放大器输入耦合系统研究。回旋行波放大器宽频带要求输入耦合系统带宽3GHz以上，同时要求工作模式高纯度，高效率。研究新型输入耦合系统结构，进行结构和参数优化，实现宽频带下的高性能。输出系统及宽频带输出窗研究，输出系统模式耦合和反射易引起自激振荡，研究低模式耦合和低反射输出系统和宽频带低反射低吸收输出窗，确保放大器在高平均功率下稳定工作。3、技术指标(1)8毫米波段，中心频率34GHz—35GHz(2)脉冲功率p>100KW(3)平均功率P>2KW(4)饱和增益Gain>40dB⑸带宽>2GHz三、拟采取的研究方法及途径研究中采取理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法。在理论分析的基础上，建立物理模型完成数值分析和模拟，加工测试模型进行实验验证和改进，达到设计目标。关键技术研究方法：新型互作用高频系统研究。采用多年形成高频系统及注-波互作用理论分析和数值计算研究成果，对分布衰减波导和螺旋槽结构进行深入的理论分析研究，对高频系统的色散特性及模式竞争等进行模拟计算，利用HFSS等软件进行验证并进行测试实验研究。磁控注入电子枪及电子光学系统研究。改进现有的磁控注入电子枪的数值模拟软件，对国际上新型结构和技术方案进行综合分析，完成电子光学系统初步设计，在此基础上进行详细的数值模拟，对枪的结构尺寸进行调整，探索枪区磁场的合理分布，保证枪区电子注层流性，适当的横纵速度比和低速度零散(小于3%)。注-波互作用研究。在新型互作用高频系统研究基础上，对电子注与高频场注-波互作用的非线性理论进行深入的分析研究，建立注-波互作用物理模型，进行大量数值模拟。优化电子注及高频参量，提高互作用效率。输入耦合系统，输出系统及宽频带输出窗研究。利用和改进回旋速调放大器研究形成的输入耦合系统，输出系统及输出窗设计分析程序，采用新耦合结构和双盘结构输出窗，实现宽频带工作。利用自主模式藕荷分析软件，优化输出段半径轴向变化减小反射和模式耦合。用现有高频分析软件如HFSS,CST进行验证，设计测试模型，进行实验研究。四、研究进度、成果形式及应用方向1、研究进度年度主要研究内容阶段成果形式2006收集资料，深入调研，建立电子光学系统、高频系统理论分析及数值分析物理模型。高功率宽频带回旋行波管的理论体系及数值模拟物理模型。2007关键技术专题研究，编制和完善分析计算软件。电子光学系统、高频系统、注-波互作用、起振及模式竞争模拟分析计算软件。2008进行高频系统、注-波互作用全面的数值分析和粒子模拟，设计关键部件测试模型，进行冷测实验。数值分析和模拟结果及分析，关键部件冷测实验结果。2009完成起振及模式竞争分析，进行大量数值模拟和优化设计，抑制竞争模式，形成整管总体设计方案，研制样管。整管总体设计方案，研制实验样管。2010样管测试，总体设计方案改进和优化，研出脉冲功率100KW，饱和增益40dB，带宽2GHz的8mm高功率宽频带回旋行波管。达到项目指标的高功率宽频带回旋行波管，研究报告和总结报告。2、成果形式(1)研出脉冲功率100KW,带宽2GHz,饱和增益40dB的具有国际先进水平的8mm高功率宽频带回旋行波管。建立电子光学系统及新型结构高频系统分析理论体系及数值模拟物理模型。建立冷测实验模型，完成冷测实验。提供具有自主知识产权的电子光学系统、高频系统、注-波互作用、起振及模式竞争模拟分析计算软件。提交高频系统理论分析、数值计算及粒子模拟结果。m高功率宽频带回旋行波管优化设计方案。（7）高质量学术论文20篇，培养硕士博士研究生20名。3、应用方向项目研制的脉冲功率100KW,带宽2GHz的具有国际先进水平的8mm高功率宽频带回旋行波管，直接针对毫米波雷达单位（中电集团14所）需求，将其应用到毫米波成像雷达，解决毫米波回旋速调放大器带宽不足（小于1%）和普通行波管功率低（1—2kW）这一阻碍毫米波成像雷达研究的重大难题。五、研究条件及保障措施1、本单位研究现状及技术优势电子科技大学从上世纪70年代后期到现在一直不间断地从事回旋器件的理论与实验研究工作，有一支敢于拼搏的青年骨干研究的队伍，成员素质高，富有开拓创新精神，在该领域取得了一系列成果。先后成功研制了2cm波段、8mm波段、4mm波段多种回旋管，研究成果已获得十多项部省级及国家级奖，其中“八五”期间所完成的8mm三次谐波回旋管获国家技术发明三等奖，“九五”的“8mm三次谐波永磁包装回旋管”经鉴定达到国际领先水平，获国防科技技术二等奖。课题组“十五”承担了重点军事预研项目“8mm高功率回旋速调管技术研究”及高技术“863”“8mm基波回旋速调管放大器技术研究”。经过课题组努力工作，取得研究的重大突破，目前已按“十五”的总体目标及计划顺利地推进各项研究工作。课题组在理论分析，数值模拟，整管研制等方面都有自己的特色和优势。建立了一整套回旋器件的理论分析方法，编制了包括电子枪，高频系统，注-波互作用数值模拟软件，利用这些软件圆满地完成了多个研究项目，取得了一系列成果。2、保障条件通过多年回旋管的研究与实验室建设，“211”工程、对俄引进工程，为高功率回旋器件研究准备了良好硬件设备。有良好的工艺制管条件，已进行的一系列回旋管研制均是在自己的工艺基地上