帶狀電子束高功率微波源輸出系統(tǒng)研究.pdf

1、不斷提高的應(yīng)用需求促使高功率微波技術(shù)向更高功率，更高頻率、更長脈寬的方向發(fā)展。受限于器件的尺寸，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高功率微波源遇到了等離子體的形成以及強電場擊穿的難題。帶狀電子束高功率微波源具有電流密度低、結(jié)構(gòu)緊湊性好、輸入阻抗和注入功率便于調(diào)節(jié)等優(yōu)點，有望成為解決該問題的途徑之一。帶狀電子束高功率微波源的器件結(jié)構(gòu)和輸出模式具有矩形大橫縱比特性，為了使其產(chǎn)生的微波更高效地輸出，需要針對性地設(shè)計應(yīng)用于帶狀電子束高功率微波源的輸出系統(tǒng)。論文提出并設(shè)

2、計了一種帶狀電子束高功率微波源輸出系統(tǒng)，對電子束收集、模式轉(zhuǎn)換和輻射三部分內(nèi)容進行了系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容如下：
　　1、提出并設(shè)計了一種帶狀電子束高功率微波源電子束收集極。利用等效特性阻抗匹配理論推導了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與微波頻率的關(guān)系，根據(jù)波導的尺寸計算出收集極的厚度；利用數(shù)值仿真驗證了理論設(shè)計的準確性，分析了各參數(shù)變化對微波傳輸效率的影響，并對器件進行了優(yōu)化設(shè)計。該收集極在收集電子束的同時保證了高功率微波源工作模式的高效傳輸，S21=

3、-0.04 dB；器件的熱分析結(jié)果顯示在不加外部水冷裝置的情況下，可以承受3 kA、電壓300 kV、脈沖寬度40 ns、重復頻率50Hz的電流的連續(xù)轟擊帶來的溫升，滿足器件的設(shè)計要求。
　　2、提出了一種大橫縱比矩形波導 TM11-TE10模式轉(zhuǎn)換器。理論分析了微波在器件中模式變換的過程，給出了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果。結(jié)果表明：在工作頻率12.5 GHz處，S21=-0.03 dB，在10.58~13.58 GHz范圍內(nèi)，S2

4、1>-0.45 dB；功率容量達到2.85 GW。仿真分析了不同橫縱比條件下的器件工作特性，結(jié)果表明在橫縱比較大時，模式轉(zhuǎn)換器的S21更高，工作頻帶更寬。對器件進行了緊湊化設(shè)計，使其在對微波相位進行調(diào)整的過程中進行輸出波導的阻抗變換。優(yōu)化結(jié)果表明：在保證模式轉(zhuǎn)換效率的同時器件軸向長度減小了22.6％，顯著提高了器件的結(jié)構(gòu)緊湊性。
　　3、基于波導縫隙陣列天線理論，提出了一種標準TEM-大橫縱比TE10模式轉(zhuǎn)換器和一種標準TEM-大

5、橫縱比TM11模式轉(zhuǎn)換器，可用于高功率微波源器件的冷測，也可用于大功率微波源的輸入與輸出。數(shù)值仿真結(jié)果表明：兩種模式轉(zhuǎn)換器在工作頻率12.5 GHz處S21分別達到-0.02dB和-0.04 dB，S21>-0.45 dB對應(yīng)的帶寬分別為11.67~13.34 GHz和11.60-13.42 GHz，滿足了實驗測試的需求。
　　4、完成了輸出系統(tǒng)一體化設(shè)計。設(shè)計了端饋式和中饋式兩種波導縫隙陣列天線，數(shù)值仿真結(jié)果表明：端饋式主瓣最大

6、增益20.04 dB，E面第一旁瓣電平-1.75 dB，半功率波束寬度為13.70°；H面第一旁瓣電平0.91 dB，半功率波束寬度為10.93°；中饋式主瓣最大增益21.66 dB，E面第一旁瓣電平-2.46 dB，半功率波束寬度為22.39°；H面第一旁瓣電平-1.45 dB，半功率波束寬度為9.15°。電子束收集極與模式轉(zhuǎn)換器一體化后，在壓縮軸向尺寸的同時，有效提高整體散熱性能，在第二章中相同電子束條件下，達到熱平衡時，內(nèi)導體與外

7、波導溫度最高點的溫度分別下降141℃和升高了14℃。根據(jù)不同的應(yīng)用背景，分別設(shè)計了橫向輻射一體化方案和軸向輻射一體化方案，為帶狀電子束高功率微波源輸出系統(tǒng)提供了一種可靠的技術(shù)方案。
　　5、實驗設(shè)計與測試。對三種模式轉(zhuǎn)換器進行了工程設(shè)計和工程加工。并完成了實驗測試，實驗結(jié)果為：在工作頻率12.5 GHz處，TEM-大橫縱比TE10模式轉(zhuǎn)換器，TEM-大橫縱比 TM11模式轉(zhuǎn)換器和大橫縱比 TM11-TE10模式轉(zhuǎn)換器的S21分別為