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(zhǎng)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(qiáng)電場(chǎng)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(diǎn)，有望成為解決該問(wèn)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(duì)性地設(shè)計(jì)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(jì)了一種帶狀電子束高功率微波源輸出系統(tǒng)，對(duì)電子束收集、模式轉(zhuǎn)換和輻射三部分內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容如下：
　　1、提出并設(shè)計(jì)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(dǎo)了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與微波頻率的關(guān)系，根據(jù)波導(dǎo)的尺寸計(jì)算出收集極的厚度；利用數(shù)值仿真驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，分析了各參數(shù)變化對(duì)微波傳輸效率的影響，并對(duì)器件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該收集極在收集電子束的同時(shí)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(fù)頻率50Hz的電流的連續(xù)轟擊帶來(lái)的溫升，滿(mǎn)足器件的設(shè)計(jì)要求。
　　2、提出了一種大橫縱比矩形波導(dǎo) 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(guò)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(dá)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(shí)，模式轉(zhuǎn)換器的S21更高，工作頻帶更寬。對(duì)器件進(jìn)行了緊湊化設(shè)計(jì)，使其在對(duì)微波相位進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中進(jìn)行輸出波導(dǎo)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(shí)器件軸向長(zhǎng)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(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)理論，提出了一種標(biāo)準(zhǔn)TEM-大橫縱比TE10模式轉(zhuǎn)換器和一種標(biāo)準(zhǔn)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(cè)，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(dá)到-0.02dB和-0.04 dB，S21>-0.45 dB對(duì)應(yīng)的帶寬分別為11.67~13.34 GHz和11.60-13.42 GHz，滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的需求。
　　4、完成了輸出系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了端饋式和中饋式兩種波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)，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(shí)，有效提高整體散熱性能，在第二章中相同電子束條件下，達(dá)到熱平衡時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體與外

7、波導(dǎo)溫度最高點(diǎn)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(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試。對(duì)三種模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)和工程加工。并完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)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