Ka波段回旋放大器及W波段帶狀束電子光學系統的研究.pdf

1、毫米波介于微波和紅外之間，兼有微波和紅外兩者的優(yōu)點。首先同紅外和可見光相比，毫米波在煙霧、灰塵等環(huán)境中的傳輸特性更好；其次同微波系統相比，毫米波電子系統容易小型化，適合于導彈，衛(wèi)星和飛機等平臺。對它的研究一直受到極大的關注。但是長期以來由于缺乏有效的高功率毫米波源，對毫米波研究和應用的進展緩慢。20世紀90年代后，在軍用毫米波雷達和通信等需求的推動下，高功率毫米波技術特別是高功率毫米波電真空器件取得長足發(fā)展。其中最具代表性的器件有兩類：

2、一類是極高功率的回旋放大器件，主要包括回旋速調管和回旋行波管。另一類是結構小、重量輕等特點的帶狀束速調管和行波管。這些器件的發(fā)展使得毫米波在雷達、通信、電子對抗、預警和遙感等方面具有廣泛的應用，對鞏固國防和發(fā)展國民經濟都具有重大意義。
　　 學位論文對Ka波段高功率TE02模式回旋速調管，30GHz大回旋二次諧波介質加載回旋行波管，W波段脈沖和連續(xù)波工作帶狀束速調管、220GHz帶狀束行波管的電子槍和新型周期聚焦磁體都進行了探索

3、性研究及創(chuàng)新性設計。
　　 第二章介紹了Ka波段高功率TE02模式回旋速調管的線性理論和自洽與非自洽非線性理論。利用線性小信號理論研究了回旋速調管的線性增益、帶寬和線性群聚效率，并指出了多腔回旋速調管高增益和高效率的兩種工作狀態(tài)。優(yōu)化計算了各個諧振腔群聚參數對互作用效率的影響。詳細研究了工作模式為TE02模的諧振腔中，高次模式到低次模式的轉換問題。設計了工作模式為TE021模的輸入耦合器、群聚腔和輸出腔。根據非線性自洽理論分析編

4、制了回旋速調管自洽非線性計算程序，并優(yōu)化計算了各個腔體的諧振頻率、品質因數和各個漂移段的長度等參數。建立了大電流電子槍和高頻互作用的粒子模擬模型，通過粒子模擬驗證了理論計算結果的準確性。并對高頻組件等進行了加工、冷測和整管的初步實驗熱測，得到了100kW的輸出功率。
　　 第三章介紹了30GHz大回旋二次諧波損耗介質加載回旋行波管的研究與設計。完成了結構緊湊的寬帶TE21模式輸入耦合器設計。通過等效電路ABCD矩陣和HFSS仿真

5、計算，完成了寬帶盒型輸入窗和多窗片輸出窗的設計。通過線性理論和自洽非線性理論分析與計算，研究了回旋行波管最核心的穩(wěn)定性問題，計算了工作模式和競爭模式的起振電流。建立了三維Magic粒子模擬模型，并進行了粒子模擬。所得到的計算結果與理論計算進行比，兩者具有較好的一致性。通過粒子模擬的方法，指出了線極化的TE21模式與大回旋電子注作用后轉換為橢圓極化模。計算了單級降壓收集極對注波互作用后電子能量的回收情況，提高了整管效率。為配合降壓收集極，

6、設計了工作模式為線極化和橢圓極化的TE21模式的低反射橫向輸出耦合系統。通過理論分析研究了大回旋電子槍速度離散和引導中心波動的形成原理，并提出了相應的解決方案。通過Egun、CST-PS和Maxwell等二維和三維電子槍與磁體計算軟件，設計并優(yōu)化了低速度離散和引導中心波動的大回旋電子槍和CUSP磁場。
　　 第四章介紹了帶狀束電子光學系統和新型可調PCM-QM周期磁聚焦系統的研究與設計。優(yōu)化了UCDavis的74kV高脈沖功率W

7、波段帶狀束速調管的電子槍和PCM磁體，使實驗測得的電子傳輸效率從約70％增加到了大于99.5％，并得到了54kW的穩(wěn)定輸出功率。為滿足輸出功率10kW，電壓54kV的連續(xù)波W波段帶狀束速調管冷卻系統空間的需要，設計了一種新型可調的PCM-QM磁體結構并進行了優(yōu)化計算。新型結構使上下兩片周期聚焦磁體的距離增加了約80％，為冷卻系統提供了足夠的空間。由于新型結構的可調節(jié)性使得實驗測試更為靈活，能更好地實現帶狀電子束的聚焦與穩(wěn)定傳輸。設計了2