高功率雙頻相對(duì)論返波振蕩器研究.pdf

1、隨著高功率微波(HPM)技術(shù)在高功率、高效率、長(zhǎng)脈沖、重復(fù)頻率運(yùn)行方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，高功率微波源也出現(xiàn)了一些其他的研究發(fā)展趨勢(shì)，比如說(shuō)雙頻以及多頻高功率微波源技術(shù)。雙頻以及多頻高功率微波可以用于電子系統(tǒng)攻擊以及各種通信系統(tǒng)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。相對(duì)論返波振蕩器(RBWO)在HPM領(lǐng)域中占有重要的地位，具有高功率、高效率、適合重復(fù)頻率工作等特點(diǎn)，是HPM領(lǐng)域目前最具有發(fā)展和應(yīng)用潛力的器件之一。
　　以此為背景，本論文對(duì)雙

2、頻同軸相對(duì)論返波振蕩器(CRBWO)開(kāi)展了全面、深入的研究，包括理論研究、數(shù)值模擬計(jì)算和粒子模擬(PIC)研究，并在實(shí)驗(yàn)上利用單電子束在CRBWO上實(shí)現(xiàn)了X波段雙頻輸出，成功探索出采用單電子束產(chǎn)生雙頻微波的技術(shù)路徑，也對(duì) CRBWO在雙頻以及多頻領(lǐng)域的開(kāi)拓研究奠定了理論以及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。論文的主要研究工作體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　1．運(yùn)用場(chǎng)匹配原理和Fourier級(jí)數(shù)理論，推導(dǎo)了自洽的同軸周期慢波結(jié)構(gòu)(SWS)的線(xiàn)性色散理論方程。理論

3、模型適用于任意同軸周期慢波結(jié)構(gòu)，考慮了同軸內(nèi)外雙波紋結(jié)構(gòu)以及內(nèi)外波紋相位差，并考慮了電子束的徑向厚度，相比其他模型更加接近HPM實(shí)驗(yàn)。分析了同軸SWS相對(duì)于空心SWS在空間電荷限制流、微波產(chǎn)生效率以及電子頻率調(diào)諧帶寬方面的優(yōu)勢(shì)。數(shù)值分析了實(shí)驗(yàn)器件模型的冷、熱腔色散曲線(xiàn)以及微波時(shí)間增長(zhǎng)率和耦合阻抗。研究中發(fā)現(xiàn):波紋幅值相等時(shí)，外波紋同軸慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線(xiàn)上限截止頻率比雙波紋及內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的更高，色散曲線(xiàn)比較陡峭，更加有利于頻率調(diào)諧;耦合阻抗

4、隨著波紋深度的增大而增大，隨著周期長(zhǎng)度的增大而減小;對(duì)于內(nèi)外雙波紋慢波結(jié)構(gòu)，在腔體的橫截面內(nèi)，準(zhǔn)TEM模式與01TM模的-1次諧波的耦合阻抗都得到了提高，可以保證電子束橫截面內(nèi)的電子都進(jìn)行有效的波束相互作用，提高微波產(chǎn)生效率;微波時(shí)間增長(zhǎng)率隨著波紋周期的增大而降低，隨著波紋幅值的增大而增大;隨著電子束位置靠近同軸SWS外波紋表面，表面波幅值增大，耦合阻抗增大，微波時(shí)間增長(zhǎng)率隨之增大；隨著電子束流增大，微波增長(zhǎng)率增大，有利于CRBWO的微

5、波起振。
　　2．提出了一種單電子束雙頻CRBWO模型，對(duì)其運(yùn)行機(jī)制和工作特性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的粒子模擬研究，模擬結(jié)果顯示:在引導(dǎo)磁場(chǎng)0.82T，束電壓500kV，束電流8.7kA，漂移段長(zhǎng)度L2?0.5 mm下，模擬獲得了X波段的01TM模式雙頻微波輸出，雙頻頻率為10.06GHz和10.49GHz,并觀(guān)察到了明顯的拍頻電場(chǎng)信號(hào)和功率信號(hào);微波峰值功率2.3GW，平均功率700MW，兩個(gè)頻率分量的功率分別為383MW和317MW，

6、微波產(chǎn)生平均效率為16.1％。對(duì)微波輸出進(jìn)行時(shí)頻分析，發(fā)現(xiàn)雙頻信號(hào)起振以及飽和時(shí)間不同，雙頻共同輸出的功率飽和時(shí)間約為8ns。對(duì)模型兩段SWS(SWS1與SWS2)工作頻率的獨(dú)立性進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。
　　3．首次設(shè)計(jì)了帶有同軸諧振腔的雙頻CRBWO并開(kāi)展了模擬研究。在電子束加速電壓?c?520 kV，電子束流8.5bI?? kA時(shí)，器件輻射雙頻為9.43GHz、10.30GHz；微波平均功率為1.07GW，微波產(chǎn)生效率為24.2%；

7、隨著兩段SWS之間漂移段長(zhǎng)度Ld的改變，雙頻頻譜近似周期性出現(xiàn)，周期近似為 f2波長(zhǎng)的12；SWS1的主頻f1實(shí)現(xiàn)了頻率捷變輸出，頻率捷變帶寬400MHz。
　　4．對(duì)X波段雙頻器件的頻譜進(jìn)行了拓展研究，開(kāi)展了帶有非對(duì)稱(chēng)反射腔的C波段和X波段CRBWO的模擬研究。器件采用耦合阻抗躍變型的分段慢波結(jié)構(gòu)，優(yōu)化和改善了器件中軸向電場(chǎng)分布和電子束的能散。在電壓510kV，電流9.03kA，軸向引導(dǎo)磁場(chǎng)0.73T下，器件實(shí)現(xiàn)了 C波段和 X

8、波段雙頻輸出,頻率分別為8.09GHz和9.91GHz，微波輻射平均功率為1.0GW，微波產(chǎn)生效率達(dá)到21.9%，效率高于其他雙波段高功率微波器件。此外，雙頻頻率隨著漂移段長(zhǎng)度的變化而準(zhǔn)周期性變化，這也是首次在雙頻以及雙波段器件中觀(guān)察到雙頻頻率捷變現(xiàn)象。
　　5．在脈沖加速器上，開(kāi)展了單電子束X波段雙頻CRBWO實(shí)驗(yàn)研究。首先簡(jiǎn)單介紹了電子束參數(shù)的測(cè)量方法，然后詳細(xì)描述了微波參數(shù)（包括微波模式、頻率以及功率）的測(cè)量方法，之后給出了

9、實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的定標(biāo)方法以及引導(dǎo)磁場(chǎng)、同軸雙排支撐及輻射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。當(dāng)磁場(chǎng)為0.82T，電壓為512kV，電流為11.5kA時(shí)，器件產(chǎn)生微波功率為509MW，微波效率為8.6%，微波脈寬約為50ns；實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到純凈的雙頻頻譜，雙頻頻率分別為9.97GHz與10.52GHz，雙頻頻差?f?550 MHz，與粒子模擬結(jié)果比較接近。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到明顯的雙頻拍波信號(hào)，與單頻微波信號(hào)輸出形成明顯對(duì)比；微波輻射模式測(cè)量采用遠(yuǎn)場(chǎng)法與熒光陣列靶板