高功率毫米波回旋速調放大器關鍵技術研究.pdf

1、高功率毫米波真空電子器件，在軍事、民用等領域有著重要的應用前景。傳統(tǒng)的真空電子器件，如行波管和速調管等，由于受結構、工作機理等各種因素的限制，工作在毫米波段遇到了極大的困難。另一方面以量子效應為基礎的一般激光器件也難以在此波段有效地工作。而以電子回旋諧振受激輻射為機理的回旋管器件，能在此波段以多種方式產生高脈沖功率與連續(xù)波功率。回旋速調放大器作為回旋管器件家族中重要的成員，以其高增益、高效率、高功率以及有一定的帶寬，在毫米波雷達、通訊、

2、受控核聚變、材料處理等方面有廣泛的應用前景，因而在國際上倍受重視。
　　本學位論文對高功率毫米波回旋速調放大器的輸入系統(tǒng)、高頻腔體系統(tǒng)、輸出窗、注-波互作用分析、熱測實驗等進行了詳細的研究和分析。
　　第2章利用等效網絡理論對回旋速調放大器的輸入窗進行了初步設計。再利用三維高頻分析軟件 HFSS進行精確仿真，設計出了寬帶低反射的高性能的輸入窗。同時建立了回旋速調放大器輸入耦合器的近似分析模型，通過數值分析計算得到輸入耦合器的

3、初步結構和尺寸，然后利用HFSS軟件進行優(yōu)化，完成回旋速調放大器高模式純度輸入耦合器的設計。
　　第3章利用模匹配理論，將突變結構兩側橫向電場用模式函數展開，在介質邊界及突變處進行場匹配，推導出加載和未加載損耗介質的突變結構兩側場的展開系數的線性方程組，求解此方程組確定展開系數，得到突變兩邊的場分布。最后，在理論分析的基礎上，編制了輸入腔、群聚腔、輸出腔的高頻分析計算程序。通過數值計算，給出了輸入腔、群聚腔、輸出腔的設計方案，再通

4、過HFSS高頻分析軟件和冷測實驗進行優(yōu)化設計和驗證，大大縮短了設計周期，使高頻結構的設計和調試更加靈活方便。
　　第4章首先利用場匹配理論建立傳輸級聯(lián)矩陣的方法對多層窗片結構輸出窗進行解析分析計算。通過數值計算和HFSS高頻仿真軟件仿真，給出了Ka波段和W波段雙層窗片結構輸出窗的設計方案。在Ka波段設計出S21參數大于-0.1dB的帶寬大于4GHz的高性能雙層窗片結構輸出窗；在 W波段設計出S21參數大于-0.1dB的帶寬大于10

5、GHz的高性能雙層窗片結構輸出窗。同時研究了輸出窗尺寸參數小范圍變化對輸出窗傳輸特性的影響。其次，對輸出窗進行了熱分析研究，給出了一種中間風冷的新型雙層窗片結構輸出窗設計方案，該結構輸出窗不僅能提高輸出窗傳輸特性，而且能夠有效提高輸出窗的功率容量。以上的分析計算與仿真為回旋速調放大器或回旋行波管輸出窗的設計提供了的理論和技術支撐。
　　第5章在注-波互作用自洽非線性理論分析的基礎上，進行了大量的數值計算，研究了電子注參數、輸入功率

6、、外部磁場等對輸出功率、效率、增益等的影響。在高頻計算和數值計算的基礎上，綜合考慮整管的增益、效率、帶寬、輸出功率等性能指標，給出了一支34GHz、TE01模、4腔和一支94.4GHz、TE01模、4腔基波回旋速調管放大器的設計參數和理論計算結果。同時根據以上的設計參數建立了回旋速調管放大器粒子模擬模型，進行注-波互作用粒子模擬分析，對注-波互作用中的一些物理現象進行分析。同時將粒子模擬結果與理論計算結果進行了對比，兩者總體趨勢還是吻合

7、的較好。為研制高功率回旋速調放大器奠定了技術基礎。
　　第6章首先介紹了熱測平臺系統(tǒng)的組成和各分系統(tǒng)的作用，其次給出了熱測實驗的操作順序和方法。最后對研制的一支回旋速調放大器樣管進行了熱測。經熱測，在注電壓為70KV、電流為11A、第一陽極電壓28KV、輸入功率為20W、磁場強度1.31T、中心頻率34GHz的條件下得到以下實驗結果：峰值功率301kW、平均功率大于6kW、增益41.8dB、效率39.1％、3dB帶寬大于280MH