復(fù)合型高功率微波產(chǎn)生器件的研究.pdf

1、隨著高功率微波(High-Power Microwave, HPM)技術(shù)的不斷發(fā)展，HPM領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個(gè)新興的研究發(fā)展方向，即復(fù)合型高功率微波產(chǎn)生器件。因?yàn)樗粌H可以輸出單頻、雙頻或者雙波段HPM微波，還具有進(jìn)一步提高器件功率效率的潛力，將為HPM技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。目前，復(fù)合型磁絕緣線振蕩器和復(fù)合型相對(duì)論返波振蕩器是國(guó)內(nèi)外研究人員較為關(guān)注的兩種器件。因此，本文對(duì)復(fù)合型磁絕緣線振蕩器和復(fù)合型相對(duì)論返波振蕩器分別開(kāi)展了較為全面、深

2、入的研究，包括理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和粒子模擬研究。
　　本文的研究?jī)?nèi)容主要包括：
　　1.提出了復(fù)合型磁絕緣線振蕩器(Magnetically Insulated transmission Line Oscillator, MILO)的物理思想，闡述了技術(shù)方案和工作原理。該復(fù)合型 MILO由MILO-1和 MILO-2兩部分組成， MILO-2是作為 MILO-1的負(fù)載，進(jìn)一步利用MILO-1的負(fù)載電流產(chǎn)生高功率微波，從而提高

3、功率效率。
　　2.對(duì)MILO進(jìn)行了初步理論研究。解析推導(dǎo)了熱腔同軸慢波結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，并在冷腔中數(shù)值求解了色散曲線，通過(guò)與不同電磁場(chǎng)模擬軟件仿真結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了色散關(guān)系理論推導(dǎo)結(jié)果的正確性，并分析了慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)冷腔色散曲線的影響；通過(guò)等效電路法，求解出傳統(tǒng)MILO和介質(zhì)填充MILO諧振頻率的具體表達(dá)式，并利用仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　3.利用仿真軟件對(duì)本文提出的復(fù)合型磁絕緣線振蕩器進(jìn)行了模擬研究，分析了二極管電壓、

4、慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)、扼流葉片參數(shù)、提取區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)、聚焦陰極等參數(shù)對(duì)器件輸出性能的影響。
　　4.通過(guò)對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，得到了一個(gè)雙頻復(fù)合型 MILO。仿真中，在輸入電壓為680 kV，電流為69.4 kA，輸入電功率為47.3 GW的條件下，MILO-1輸出微波功率為8.5 GW，微波頻率為1.717 GHz；MILO-2輸出微波功率為3.9 GW,微波頻率為4.167 GHz。復(fù)合型MILO總的輸出功率為12.4 GW，相應(yīng)的功率

5、效率為26％。MILO-1單獨(dú)的功率效率為18%。針對(duì)此模型，復(fù)合型MILO的功率效率比MILO-1的功率效率相對(duì)提高了46%。
　　5.通過(guò)對(duì)復(fù)合型MILO的進(jìn)一步分析與優(yōu)化，得到了單頻輸出模型。仿真中，在輸入電壓為630 kV,電流為85.6 kA，輸入電功率為54.167 GW的條件下， MILO-1輸出微波功率為8.0 GW,微波頻率為1.567 GHz；MILO-2輸出微波功率為2.8 GW,微波頻率為1.567 GHz

6、。復(fù)合型MILO總的輸出功率為10.8 GW，相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換效率為20%。MILO-1單獨(dú)的功率轉(zhuǎn)換效率為15%。針對(duì)此模型，復(fù)合型MILO的功率轉(zhuǎn)換效率比MILO-1的功率轉(zhuǎn)換效率相對(duì)提高了35%。
　　6.初步研究了一個(gè)復(fù)合型相對(duì)論返波振蕩器(Relativistic Backward Wave Oscillator, RBWO)。復(fù)合型 RBWO由第一段 RBWO(F-RBWO)和第二段RBWO(S-RBWO)組成，其中S-

7、RBWO對(duì)被F-RBWO利用后的電子束能量進(jìn)行二次利用以產(chǎn)生高功率微波，從而提高功率效率。仿真中，在輸入電壓為870 kV，電流為13.0 kA，輸入電功率為11.2 GW的條件下，F(xiàn)-RBWO輸出微波功率為3.2 GW，微波頻率為9.225 GHz；S-RBWO輸出微波功率為117 MW，微波頻率為1.000 GHz。復(fù)合型MILO總的輸出功率為3.3 GW，相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換效率為30%。F-RBWO單獨(dú)的功率轉(zhuǎn)換效率為29%。針對(duì)此模