發(fā)布時間：2019-09-24 12:30

【摘要】：相干功率合成是目前高功率微波技術發(fā)展的重要方向。相對論速調(diào)管放大器作為核心器件受到廣泛關注。然而,受功率容量的限制,目前主要研究集中在S波段等低頻段。為滿足高pf~2因子的要求,亟待發(fā)展高頻段、高功率、長脈沖的相對論速調(diào)管放大器。本文采用三軸速調(diào)管放大器(TKA)技術路線,重點解決了X波段TKA同軸互作用諧振腔設計、TEM模隔離、非旋轉對稱模式自激振蕩抑制等關鍵問題,研制出具有高功率、長脈沖潛力的X波段TKA,為發(fā)展更高頻段的高功率微波放大器提供參考。論文的主要研究內(nèi)容和結論如下:1.基于單電子運動學理論,分析了同軸諧振腔的電子束耦合系數(shù)和電子束負載電導,獲得了同軸諧振腔有別于空心諧振腔的電子束負載特性。利用電子束耦合系數(shù)和衰減因子,修正了相對論電子束與TKA輸入腔作用的小信號理論,獲得電子束與輸入腔作用后的最大基波電流和最佳群聚距離。研究了預調(diào)制電子束在同軸波導中群聚的大信號理論,獲得電子束在同軸波導中的速度和密度調(diào)制特性。2.研究并設計了雙端口饋入式同軸輸入腔、三間隙同軸群聚腔、單間隙和雙間隙輸出腔。利用兩個矩形波導注入端口,設計了角向均勻性達92%的非旋轉對稱同軸輸入腔結構。提出非均勻三間隙群聚腔結構,既能實現(xiàn)對電子束的高效調(diào)制,又能實現(xiàn)低的TEM模泄漏功率。對單、雙間隙輸出腔進行了比較研究,在輸出功率約為1GW條件下,雙間隙輸出腔的最大結構表面軸向電場為560 kV/cm,比單間隙輸出腔降低約37%。3.對TEM模式泄漏進行了深入系統(tǒng)的理論和仿真研究。針對同軸波導涂覆衰減材料隔離TEM模式泄漏的局限性,提出采用兩個不同本征頻率的TEM模反射器隔離TEM模式泄漏的方法。當注入功率為100 kW、輸出功率為1.04 GW時,群聚腔向輸入腔泄漏的功率約為50 k W,為群聚腔內(nèi)最大反向功率的0.35‰,輸出腔向群聚腔泄漏的TEM模功率約為2.5 MW,是輸出腔內(nèi)最大反向功率的0.2%,隔離效果顯著。4.深入分析了TKA中非旋轉對稱模式自激振蕩產(chǎn)生機制和抑制方法。結果表明,非旋轉對稱模式產(chǎn)生于三間隙群聚腔內(nèi),而群聚腔和輸入腔之間的同軸波導為自激振蕩的增長提供了正向反饋通道。提出采用諧振腔反射器和同軸波導開縫結構抑制TKA中非旋轉對稱模式自激振蕩的方法。5.利用等效電路法和粒子模擬方法,研究了諧振腔高頻特性對器件相移特性的影響規(guī)律。結果表明,高Q0值的群聚腔的諧振頻率能顯著影響器件的相移。6.利用粒子模擬方法,對X波段TKA的整管工作特性進行了研究。當電子束電壓為570 kV、電流6.5 kA時,在輸入微波頻率為9.375 GHz、功率為100 kW條件下,獲得了功率約1 GW微波輸出。轉換效率和器件增益分別為29%和40 dB,輸出微波的相位抖動小于3°,輸出功率3 dB帶寬大于50 MHz。采用單一變量法,研究了高頻結構參數(shù)、注入微波參數(shù)、電子束參數(shù)及導引磁場強度等對TKA輸出特性的影響。結果表明,除內(nèi)外導體的軸向錯位外,其他參數(shù)不會顯著改變器件的工作特性。7.對X波段TKA進行了實驗研究。冷測結果表明,輸入腔諧振頻率為9.375GHz,Qe值約為120;群聚腔的諧振頻率為9.42 GHz,Q0值為493;輸出腔的諧振頻率為9.375 GHz,Qe值約為45。在注入功率為90 kW、頻率為9.37GHz條件下,獲得了功率約240 MW、脈寬約100 ns的微波輸出。實驗功率與模擬功率的顯著差別主要來源于輸入腔對注入微波的損耗。采用9.37 GHz、Qe值為309的改進型輸入腔,在注入功率為50 kW、頻率為9.38 GHz條件下,實驗獲得了功率約為920MW、脈寬約52 ns的微波輸出,增益為42.6 dB,效率約23%。TKA輸出微波的頻率與注入微波頻率一致,不同炮次相移抖動在±10°之內(nèi)。
【圖文】：

MRC的TKA結構

(a) 輸入腔 (b) 群聚腔 (c) 輸出腔圖 1.8 MRC 的 TKA 結構的同軸互作用腔通過優(yōu)化設計，John Pasour 等從數(shù)值上利用 440 kV、5 kA 的電子束獲得了 9.3GHz、1.1 GW 的微波輸出，轉換效率為 50 %；并進行了實驗研究，采用 420 kV、3.5 kA 的電子束產(chǎn)生了 300 MW 的微波輸出，增益為 30 dB，效率約為 20 %[125]，但沒有更進一步的報道。1.3.2 TKA 的研究難點21 世紀初，NRL 終止了 TKA 的研究，，美國的 AFRL 和 LANL 研究人員仍在進行 TKA 的研究[123]-[125]，但沒有進一步的研究報道。從 NRL 提出 TKA 結構至今，雖取得了一些成果，但實驗結果與仿真相差較大，且一直沒有取得突破，經(jīng)分析，其原因主要有以下三點：(1) 高頻結構的設計。為了獲得較高電子束調(diào)制深度和微波提取效率，采用多間隙結構，其含有多個縱向模式；大半徑同軸互作用腔亦含有眾多橫向模式。因此，高頻結構設計時，非工作模式的抑制顯得尤為重要。
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN122;TN722


本文編號：2540871