（电子科学与技术专业论文）回旋行波管的模拟研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m i l l i m e t e rw a v es o u r c ei st h em o s t s y s t e m ，i td e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c e i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em i l l i m e t e rw a v e o fm i l l i m e t e r - w a v es y s t e m t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to fm i l l i m e t e r - w a v es o u r c et h a th a ss t a b l ep e r f o r m a n c ea n dc a no u t p u th i g h p o w e rm i l l i m e t e rw a v ee f f e c t i v e l yb e c o m e se x t r e m e l yi m p o r t a n t a tp r e s e n t t h e r e l a t i v e l ym a t u r eh i g h p o w e rm i l l i m e t e r - w a v e s o u r c ei s c y c l o t r o na m p l i f i e r t h e k y r o k l y s t r o na m p l i f i e ri st h ed e v e l o p e dr a p i d l yt u b et y p eo ft h ec y c l o t r o na m p l i f i e r c o m p a r e st og y r o - t w ta m p l i f i e r , t h ek y r o k l y s t r o na m p l i f i e rh a sal a r g ea d v a n t a g e i n s t a b i l i t y , o u t p u tp o w e ra n dt h ee f f i c i e n c yo fi n t e r a c t i o n t h ek y r o k l y s t r o na m p l i f i e r h a v er e l a t i v e l yl o wr e q u i r e m e n to ft h ev e l o c i t ys p r e a do fe l e c t r o nb e a mt h a tp r o d u c e d b ye l e c t r o ng u n , s oi th a dw o n t h ea t t e n t i o no fn a t i o n a lr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n di t s d e v e l o p m e n ti st h ef a s t e s ti nt h ec y c l o t r o na m p l i f i e r h o w e v e r , b e c a u s eo f t h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n do t h e rr e a s o n s ，t h eb a n d w i d t ho fk y r o k l y s t r o na m p l i f i e ri sr e l a t i v e l yn a r r o w , u n a b l et om e e tt h en e e df o rh i 曲p o w e rm i c r o w a v es o u r c ei n f u t m em i l i t a r ya n d s c i e n t i f i cr e s e a r c ha r e a s g y r o t w ta m p l i f i e rb e c o m e sf o c u so fn a t i o n a lr e s e a r c ha tt h e p r e s e n ts t a g eb e c a u s eo fi t sr e l a t i v e l yw i d eb a n d w i d t h c o u n t r i e sh a v es t e p p e du pt ot h e c y c l o t r o nt r a v e l i n gw a v et u b ea m p l i f i e ro ft h ei n t e n s i t y , b o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nh a sm a d eg r e a t e rp r o g r e s s i nt h i st h e s i s t h es t a b i l i t yo ft h ed i s t r i b u t e dd i e l e c t r i cl o a d e dg y r o - t w ta m p l i f i e r h a v eb e e na n a l y z e d , w h i c hf r o mt h e o r y , n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h es e l f - o s c i l l a t i o no ft h eg y r o - t w ti si n v e s t i g a t e di nd e t a i l u s i n gt h e s m a l l s i g n a ld i s p e r s i o ne q u a t i o na n db a c k w a r d - w a v el i n e a rg a i nt oa n a l y z et h ea b s o l u t e i n s t a b i l i t y w h e na t t e n u a t i o ne x c e e d3 d b c m ，t h ea b s o l u t ei n s t a b i l i t yo f t h ew o r k i n g m o d e 砜li sr e s t r a i n e d 2 ：d e s i g n e dt h eh i g h - f r e q u e n c ys t r u c t m eo fg y r o t w tw i t hs u i t a b l ed i e l e c t r i c l o a d e di na c c o r d a n c ew i t ht h ef r e q u e n c y , w h i c hc a ni n s p i r et h ec o r r e c tm o d e lt e o l m o d e la n de f f e c t i v e l yi n h i b i t e dm i s c e l l a n e o u sm o d ea n ds e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o n 3 ：p r o g r a m m i n gt h eh i g h - f r e q u e n c ys t r u c t u r eo f3 5 g h zc o n t i n u e - w a v eg y r o - t w t i i a b s t r a c t i nt h ep a r t i c l es i m u l a t i o ns o f t w a r em a g i c ，f i n dt h eb e s ts 仃u c t i l r eb ya l la p p r o p r i a t i n g c h a n g ea b o u tt h es t r u c t u r e ，t h es i z ea n dl o c a t i o no ft h ed i e l e c t r i c - c o a t e d t h er e s u l t s h o w sa no u t p u tp o w e ro f3 0 6 k ww i t ha ne l e c t r o n i ce f f i c i e n c yo f3 6 4 a n dag a i no f 3 5 7d b ，a2g h z3 d bb a n d w i d t hi so b t a i n e dw i t ha4 2 k v ，2 ae l e c t r o nb e a ma n dab e a m v e l o c i t yo f1 4 6 4 ：t h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r o n i cb e a mp a r a m e t e r sa n dh i g h f r e q u e n c ys t m c t u r e p a r a m e t e r so nt h eo u t p u tp o w e r , b a n d w i d t h e f f i c i e n c y , a n dg a i no ft h eg y r o - t w ta r e a n a l y z e ds e p a r a t e l y a n dt h er e s u l t sw i l lp r o v i d et h es i m u l a t i o nr e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fg y r o t r o na m p l i f i e r si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：g y r o - t w ta m p l i f i e r , b e a m - w a v ei n t e r a c t i o n , h i 曲f r e q u e n c ys t r u c t u r e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：謦尚 日期：纱扣年f 月f 7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：妫导师签名： 日期：二。cd 年岁月f 7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自然界之中，电磁过程是一种最基本的过程，电与磁的相互作用使带电的粒 子运动在每一种特殊的条件之下。从电磁学开始，产生了大量分支的学科。1 8 3 1 年8 月2 9 日，英国伟大的物理学家和化学家m i c h a e lf a r a d a y 经过了无数次实验 和探索，历时八年终于发现了电磁感应现象，成为了电磁场理论的创始奠基人， 他的工作为后来的j a m e sc l e r km a x w e l l 建立电磁场理论奠定了基础。c o u l o m b 定 律、b i o t s a v a r t l a p l a c e 定律、o h m 定律、f a r a d a y 电磁感应定律的陆续建立， 表明电磁学各个局部规律已经被发现。这就意味着对各种电磁现象提供统一的解 释，建立普遍的电磁理论的时机和条件都已经具备和成熟了。m a x w e l l 继承了 f a r a d a y 彻底的近距作用思想，用了十年左右的时间，建立起完整的电磁场理论， 集中反映在他的三篇著名电磁学论文中，1 8 5 5 1 8 5 6 年的论f a r a d a y 力线， 1 8 6 1 - 1 8 6 2 年的论物理力线，以及1 8 6 5 年的电磁场的动力学理论。m a x w e l l 的电磁场方程得以诞生【l 】。这是一个完整的理论体系，宣告了电磁场动力学理论的 诞生。不但能够对电磁场的性质进行描述，而且这还正是电磁场的变化与运动的 规律。众所周知由此方程得出了许多的预言，并且进行了实验证实，最终，在电 磁学领域近距作用的观点获得了胜利，并深刻而广泛的影响着后来的人。 1 8 8 7 年德国物理学家h e i n r i c hr u d o l fh e r t z 利用他自己创造的h e r t z 振子 和接收电磁波的谐振器这些装置，实现了电磁波的发射和接收，首次通过实验证 实了电磁波的存在。马可尼的研究工作开启了电波的利用，1 8 9 5 年，马可尼发送 了电报信号，距离为一英里，三年后，电报信号送过了英吉利海峡。1 9 3 6 年，波 导传输实验首次获取得了成功，对于电磁波的传输来说，这可以看做是微波理论 以及工程技术的发展史的开端。微波技术的进一步发展又被第2 次世界大战所推 动，因为当时在军事上有着强烈和迫切的需求。力学理论和电磁理论相结合研究 真空电子束与微波电磁场的相互作用，1 9 3 5 年h e l l 兄弟研制造出了h e i l 振荡管， 1 9 3 8 年v a r i a n 兄弟造出了速调管，1 9 4 0 年，贝尔实验室研制成功了多腔磁控管。 接着k o m p f n e r 发明了行波管。而行波加速管，注波加速腔等微波电真空器件也相 电了科技人学硕上学位论文 继发展了出来。结合电磁理论，相对论力学和量子力学研究相对论电子束与甚高 频电磁场相互作用，1 9 世纪六七十年代发展了脉泽，铯原子钟，激光等。七八十 年代发明了自由电子激光，电子回旋谐振脉塞等高功率源 2 1 。 电磁理论对毫米波雷达，光纤通信，卫星导航，遥控遥测遥感，电子对抗等 应用需求的实现起到了很好的推动作用。 是由于军事上的需要，对于雷达的研究， 电磁波资源被不断地挖掘与应用。特别 使得微波技术得到了迅猛的发展。人们 早已开发和充分利用了波长1 m 以上的无线电波这类电磁波资源，而微波的波长则 很短，广义上从l m ( 对应频率为3 0 0 m h z ) 到0 1 m m ( 对应频率为3 0 0 0 g h z ) 的波 长范围都是微波波段，对于微波波段的利用，上个世纪先后发展了速调管，行波 管，磁控管等普通微波管，以及各种二极管，半导体器件等固态器件。同时可见 光的波段由于激光物理和技术的大力发展，很快就被开发，并且进入了实用阶段， 成为一门新学科。尽管这两个波段的发展应用比较快，但是这两个波段之间的毫 米波段的研究进展却遇到了很多困难，所谓毫米波段，是微波里面其中波长为l o m m 与l m m 之间的范围，即3 0 g h z 到3 0 0 g h z 的频率则是毫米波的工作频率。当大功率 器件在毫米波段工作时，很难有效地工作，功率也迅速的降低。电磁波的波长与 实际物体的尺寸相比拟，传统的微波器件的互作用结构的尺寸与工作波长相近。 这样一来，必然引起对工艺和加工的极高要求，这是一个较大的困难，否则在精 准度方面很难满足，甚至于无法加工。另外伴随着结构尺寸的缩短，趋肤效应的 问题变得突出起来，热损耗会大大的增加，功率的容量也被限制压缩的厉害，一 系列的问题使得之前的微波器件在此波段有效地工作。而在另外一端，上世纪中 期快速发展了激光方面的各种知识，开发了可见光的电磁波段，以及其周围的红 外光，紫外光等等频率很高的波段，在这个波段内，激光器件广泛的应用并且发 挥出强大的优势，既新兴又实用。可是，当频率往下降低，开始接近毫米波的频 段时，激光器件也工作的很困难，其功率下降的速度十分惊人。究其原因，粒子 数的反转状态没有建立起来，因为在此波段内几乎没有办法找到恰当的工作物质。 因此总的来说，由于在毫米波段，经典特性没有完全的展现出来，量子特性也不 能全部的表现出来，所以无论是激光器件还是传统的微波器件，在毫米波段都发展 的困难重重。然而，毫米波波段却又固有很多的优点，比如波长短，波束窄，有 很高的目标分辨率，系统设备轻便简洁。有很宽的频带，在大气传播中四个主要 的“窗口”带宽达到1 3 5 g h z ，使得目标的细部特征可以通过雷达采用窄脉冲与宽 带调频技术来获取，同时更多的信息安全地通过通信系统传送出去。毫米波应用 宽广，在雷达，电子对抗，制导，通信，辐射武器，遥感，电磁能定向传输，等 2 第一章绪论 离子体加热与诊断中都能大显身手，世界上各个先进国家都争相投资研究能在此 波段高效工作的新型器件。在这种形势下，基于新的技术和原理的毫米波电真空 器件相继问世，成就喜人，最主要的有回旋管，奥罗管，微波功率模块，真空微 电子器件，等离子体填充行波管，t h z 技术等等。而其中的佼佼者当首推回旋管， 回旋管又称电子回旋脉塞，是相对论器件中的一类快波器件。在高功率微波技术 发展中，回旋管主导着毫米波及亚毫米波频段的大功率器件。在短毫米波段脉冲 功率达到吉瓦级，连续波功率( 或平均功率) 也有数百千瓦。由于回旋管在毫米 波及亚毫米波波段振荡和放大上的卓越性能，国际上高度重视回旋管的研发，由 电子回旋脉塞理论支撑及相对应的各种回旋器件大力发展着，其广阔的应用前景 一片光明。 1 2 回旋管的发展 运动的自由电子产生辐射，然而自发辐射所产生的电磁波往往都是连续谱， 是非相干的，而人们希望得到的是相干电磁波，所以将自由电子的自发辐射转变 为相干的受激辐射就是关键所在。而电子回旋脉塞正是其中最具代表性的。澳洲 科学家特维斯通过长期的观察研究，对于电离层吸收电磁波的现象跟踪揣摩得到 灵感启发，在1 9 5 8 年的时候大胆提出了电子回旋受激辐射的崭新概念，大批的学 者对此进行了深入而细致的研究，最终美国科学家在六十年代中期的时候经过大 量的实验与模拟，彻底证明了此理论，就此为回旋管的快速发展打下了非常厚实 的理论基础。如今回旋管家族日趋庞大，比如用于等离子体加热和电流驱动的回 旋摩谐速调管振荡器，强流相对论电子束驱动的回旋管，用于毫米波雷达的回旋 放大器，用于毫米波电子对抗的回旋返波振荡器，用于工业应用的单腔回旋速调 管振荡器，用于驱动加速器的回旋速调管放大器，还有诸如矩形回旋管，同轴回 旋管等创新性的强流电子束回旋管，以及先进雷达的倍频回旋放大器等等系列。 高功率回旋管振荡器从上世纪6 0 年代后期起由于受控磁聚变实验上的应用得 到了大力的促进发展。俄罗斯的g y c o m 集团，美国的c o m m u n i c a t i o na n dp o w e r i n d u s t r i e s ( c p i ) ( 前称v a r i a n 微波功率管联合部) ，法国的t t e ，日本的t o s h i b a 等等这些制造商已经有1 7 0 g h z 工作频率，脉宽为0 5 秒到几秒，输出微波功率为 0 5 m 1 j | 到1 m w 的回旋管振荡器。其中c p i 公司研制了0 4 m w ，6 5 s 宽的脉冲，1 i o g h z ， 连续波功率为l o o k w 的回旋管，采用的输出窗为双盘蓝宝石。后来改进了输出窗， 电子科技大学硕士学位论文 使用化学气相沉积金刚石窗，产生了5 8 0 k w ，l o s 的脉冲。g y c o m 公司在1 7 0 g h z 下 的结果分别为1 m 1 j 1 s ，o 5 m 1 j i 5 s ，0 2 7 m w 1 0 s 。t o s h i b a 公司于j a e r i 合作生产 的回旋管，工作在1 7 0 g h z 下，在6 3 s 宽度脉冲下功率输出超过了0 5 m w 。 二十世纪七十代初，海军实验室的v l g r a n a t s t e i n 研究小组和c o r n e l l 大 学的j n a f i o n 研究小组一起合作，他们在实验中得到了峰值输出功率1 g w 的x 波 段电子回旋脉塞，这是所有微波发生器中第一次演示了吉瓦级微波脉冲功率。同 时这也是在任何电压值下首次明确清楚地演示了回旋行波管工作机理，并因此获 得了回旋行波放大器的专利许可权。后来前苏联l e b e d e v 研究所的p s s t r e l k o v 采用过模谐振腔的单腔回旋速调管振荡器结构，在x 波段和k a 波段，在莫斯科领 导了实验研究强流相对论电子束驱动的电子回旋脉塞，在此研究中第一次获得较 高的器件效率( 大约2 0 ) 。接着美国海军实验室s g o d 领导的小组采用6 0 0 k e y 的 强流相对论性电子束，在圆形t e 6 ：模式下获得了3 5 g h z 频率，i o o m w 功率的输出。 1 9 6 7 年在x 波段第一次进行了回旋速调管实验，功率为l k w 连续波。上世纪 中后期，俄罗斯研究机构i a p t o r y 研制的三腔速调管，在3 5 g h z 频率下达到2 5 0 k w 的峰值功率，效率为3 5 ，增益4 0 d b ，带宽1 4 。美国的v a r i a n 公司做过回旋速 调管的相关实验，在x 波段，工作在二阶回旋谐波，效率达到8 ，输出功率2 0 k w ， 探讨了放大机制的稳定性问题。m a r y l a n d 大学和海军实验室则有研究主要针对相 位稳定性，这与电子能量的依赖关系大不相同。后来回旋速调管发展渐渐关注到 了取得较高频率的方向。海军实验室与m a r y l a n d 大学合作开发回旋管器件设计的 大量程序，联合研制w 波段回旋速调管，产生了11 8 k w 的峰值功率，3 0 的效率， 瞬时带宽为6 0 0 m h z ，射频占空比为0 2 在峰值功率和平均功率上都有相当不错的 进步，比起其他w 波段的放大器，按一般决定雷达性能的平均功率来说，性能好 了一个数量级以上1 3 j 。 回旋返波振荡器有可能提供用于常规和非常规电子对抗系统的可调谐高功率 毫米波发生器，海军实验室由r u p a r k e r 领导的小组首先开始了研究k a 波段的 回旋返波振荡器。他们使用了3 3 k w 的中等束电压，通过改变螺旋磁场在2 7 g h z 到 3 2 g h z 的范围内实现对频率的调谐，得到7 k w 的输出功率，1 9 的效率。台湾清华 大学在此方面研究目前处于领先水平，k r c h u 领导的小组达到输出功率l1 3 k w ， 效率1 9 。回旋返波振荡器的最大优点之一是可以在很宽的频段内相当容易地进行 调谐。空军实验室对此进行了大量的研究。从均匀磁场中的二极管发射电子束， 当电子束穿过漂移管并且进入互作用区域时，被磁场线圈绝热地压缩。其研究已 经证实可以采用调节磁场的方法在很大频率范围内对回旋返波振荡器进行调谐。 4 第一章绪论 其可调谐范围为4 2 g h z 到5 2 g h z ( t e o 。模) ，同时可以保持提取的功率为l o o k w 到1 8 0 k w ，脉冲宽度的变化范围为1 5 0 n s 到6 0 0 n s 。高功率回旋返波振荡器的这些 研究得到了许多振奋人心的结果，但这毕竟还只是初步的成就。 m a r y l a n d 大学为能源部研究了十多年相对论回旋速调管，作为源器件，提高 今后回旋器件商业化的程度的关键地方在于它可能驱动特别的直线加速器，用于 将来高能物理的探究。他们做的实验的电路结构工作在一次，二次回旋谐波，一 次谐波实验的频率为9 8 5 g h z ，二次谐波实验中更换了漂移段与输出腔，输出段工 作在1 9 7 g h z 辐射的倍频区。并且还尝试了三次谐波的产生和输出辐射。表1 - 1 汇集了这些实验的结果。 表1 - 1 回旋速调管与同旋行波速调管结果比较 参数回旋速凋管回旋行波速调管 谐波数 1l2312 腔数23221l 束电压k v4 2 54 2 54 5 74 3 74 3 04 5 7 束电流a 1 9 01 9 52 2 4 2 1 22 2 42 2 4 输入腔q 值 5 0 02 5 03 8 04 8 02 5 02 5 0 输出腔q 值 2 2 53 5 03 5 05 2 5 输出频率g h z 9 8 79 8 71 9 72 9 79 8 71 9 7 峰值功率m w 2 42 73 2l2 21 2 效率 3 03 22 9l2 11 1 增益d b 3 33 62 71 22 52 1 有些重要的d o p p l e r 雷达系统需要的频带比回旋速调管能够达到的频带都还 要更宽，为此对回旋行波管的研究也一直在进行着，在实验上，最先采用的是用 强流相对论电子束来研究回旋行波管的工作机制。1 9 7 9 年，海军实验室完成了初 次的实验，他们采用的是2 0 k v 磁注入腔回旋行波管。这些实验首次演示了几个原 始回旋行波管的概念，其中包括绝对不稳定性，超宽带能力，以及阻性壁稳定性。 接下来v a r i a n 公司进行了一项研究，采用5 2 g h z 下的t e 基模实验条件下完成了 确定噪声特征等方面的主要工作。接下来v a r i a n 公司继续研究制造了t e 。，回旋行 波管，工作频率在9 4 g h z ，峰值功率2 8 k w ( 平均功率2 0 0 w ) ，效率8 ，增益3 3 d b ， 5 电子科技大学硕：l 学位论文 带宽为8 。而海军实验室采用过两级结构二级锥形回旋行波管放大器，工作电压 仅仅3 3 k v ，带宽2 0 ，增益2 5 d b 。而据文献报道，在台湾清华大学，研究小组研 制了一只k a 波段的回旋行波管，引人注目的地方在于这只管具有超高的增益，输 出功率为l o o k w ，增益7 0 d b ，效率2 6 6 ，带宽8 7 。之所以实现超高增益，是 因为在互作用波导的前面2 0 c m 的波导壁上面涂上了具有损耗的性质的石墨，引入 的冷测总损耗为l o o d b ，这就有了两个好的地方，其一是管子稳定的工作( 相对于 寄生返波的激励) ，其二是这个衰减能够将弱的输入信号对电子能量进行初始的小 调制，因此在增长的尺寸上形成了聚束进而提高了总的增益【4 。5 】。 在c a l i f o r n i a 大学d a v i s 分校，研究了工作在二次谐波回旋振荡频率的回旋 行波管。他们在波导中放置入电介质，以此来降低互作用回路产生的色散，增加 回旋行波管的带宽。对宽带放大器来说，理想的电磁波色散曲线与电子回旋振荡 色散曲线匹配，可以通过波纹波导壁模拟小色散电路，也可以通过用电介质加载 波导进行模拟。d a v i s 分校的研究人员用的是电介质加载矩形波导回路，做了宽带 回旋放大器的实验。结果得到了5 5 k w 的峰值输出功率，1 l 的效率，2 7 d b 的饱和 增益。而关键的地方在于获取了1 1 的稳定激励带宽。另外，电子束通过对电介质 进行充电会干扰束的传输。于是要避开电介质充电，利用全金属的回路进行研究。 在耦合腔行波管放大器中用圆形波导盘荷结构，功率5 0 k w ，增益3 0 d b ，2 0 带宽。 对于回旋行波管，d a v i s 分校还研究过三次谐波，频率在3 5 g h z 。结构被分成了片 状的结构，用来阻断壁电流从而使管子稳定的工作。单级回旋行波管功率达到2 m w ， 效率为2 0 ，饱和增益3 0 d b ，有3 5 的恒定驱动带宽。目前正在制造的三次谐波 回旋行波管是用n o r t h r o pg r r m m a n 设计的尖头电子枪驱动。启动振荡条件由解析 理论方法来确立，并且利用开槽相互作用回路，在4 4 5 g h z 下获得了强放大，然 后用多模的p i c 数值模拟程序得到了验证睁7 】。所用的磁场为6 k g ，束电压为5 0 k v ， 电流3 a ，横纵速度比为1 4 ，有6 的轴向的速度离散。得到功率输出3 0 k w ，激励 带宽2 ，2 0 的效率，4 0 d b 的饱和增益。如此看来回旋行波管确实具有很大的潜 力，由于其特点鲜明，回旋行波管在国内外受到的重视是空前的。 而在国内，中科院的电子所，十二所以及电子科大的高能所都在从事回旋器 件方面的研究和制造。取得了一些可喜的成果，电子科技大学的主要成果有：国 际上首次提出同轴腔双电子注回旋管新概念，国际上首次提出双频回旋管新概念， 国际上第一支8 m m 三次谐波永磁包装回旋管，国内第一支3 m m 二次谐波渐变复合 腔回旋管，国内第一支太赫兹回旋振荡管，国内第一支8 m m 高功率回旋速调管， 国内第一支8 m m 回旋行波管。下面的两个表格表1 - 2 与表1 - 3 描述了国内外k a 波 6 第一章绪论 段回旋速调管与回旋行波管的一些研究情况。而图卜i 是电子科大高能所研制的 8 m m 高功率回旋速调管放大器的外观。 表卜2k a 波段回旋速调管的研究比较 频率g h 5 2 83 53 5 带宽， 020 603 6 峰值功率k w6 57 5 0 2 1 0 效率1 02 43 2 增益d b3 0 o 2 0 2 3 电压k v8 07 57 0 电流a84 58 2 表卜3h 波段回旋行渡昔的研究比较 频率g h z3 53 53 4 电流 1 02 01 5 电压k v6 51 0 06 8 磁场ti 2 4 8 i 2 7 i2 1 5 模式1 1 h t e 0 】 1 e 0 1 输出功率k w1 柏4 5 04 3 5 增益d b4 95 04 0 效率 2 l5 2 2 54 3 带宽g h z 1 11 _ 81 图卜i8 耶高功率回旋速谓管放大器 电子科技大学硕十学位论文 1 3 回旋管相关理论简介 回旋管主要包括电子枪，互作用腔，输出结构以及磁场这四个部分。图卜2 是回旋管的基本结构图。首先电子枪是用于产生电子注的。电子注必须要拥有相 当的横向能量和电流密度。磁控注入枪又分为枪区，过渡区和漂移区这三个区。 它浸没在轴向收敛的磁场中，收敛磁场有一特征是绝热压缩作用。横向能量与磁 场的比值就是绝热不变量，是个常数。因此，当磁场逐渐增加时，电子的横向能 量也相应增加，纵向能量越来越多的转换为了横向能量，电子回旋的越来越快。 这样在进入互作用区之前就形成了做强烈回旋运动的电子注。 r f 输出 电子枪 图卜2 回旋管结构及外加纵向磁场分布图 互作用区是开放式波导谐振腔的高频结构，是由截面缓变的圆波导构成，传 播快波。在互作用区，电子受到的是均匀的电磁场的控制，做强烈回旋运动的电 子注在角向有一个群聚的作用过程，当群聚中心落在减速场中时，电子注就会在 互作用区与高频场相互作用于角向方向，在角向方向进行能量交换，电子注把回 旋能量交给场。电子辐射的电磁波经过波导和输出窗输出，其中通过互作用腔的 开放式波导末端的衍射输出孔。而互作用完成以后的电子注，则进入了散焦区打 在收集极上。这便是一个最基本的回旋管工作原理【8 - 9 1 。 在对电子注和场之间的互作用的过程进行分析的理论上。有线性理论和非线 性理论两种。而由动力学理论主导的线性理论则是其中最为基础的理论。许多实 际问题可以通过都可以利用线性理论来计算，比如各模式以及各次回旋谐波的起 第一章绪论 振电流，确定回旋国内的模式竞争等问题。线性理论的研究方法有两种【l 仉1 2 】。常 用的是采用电子回旋中心坐标系中场的局部展开的方法，另一种则是波导轴坐标 系的方法。这两种方法完全是等价的，但是由于在对积分的处理中，前一种最为 简捷方便，因此电子回旋中心坐标系的方法优于波导轴坐标系的方法，并且有更 多明确的物理意义。关键的地方在于以线性伏拉索夫方程作为基础，这动力学理 论给出了电子与波互作用的根本机理，物理概念和物理过程，解释了本质的东西。 线性理论是建立在小信号的前提之下的，也可以叫做小信号理论，有解析解，概 念很清楚，运用线性理论可以初步大致确立出放大器的基本参数和基本结构，是 回旋放大器设计的基础理论。 线性理论的必然发展则是非线性理论。电子注与波的相互作用时其非线性过 程是线性理论所不能描述的，线性理论不能给出注波互作用时候与非线性状态相 关的正确图像。只有非线性理论才能够描述注波互作用的非线性演变，正确的提 供计算效率，输出功率等的方程。非线性理论有两个分支，近似的非线性理论与 自洽的非线性理论。前一种一般又叫做轨道理论，发展于给定场近似为基础。场 的时间变化，场的幅值以及场的空间分布都是事先就给定的。这种理论可以准确 的计算出注波互作用的效率，以及输出功率。基本正确的算出电子群聚的图像， 将群聚的本质反映出来。只是不能对物理机理作出详细的揭示，非线性互作用的 演变过程不能被准确获得，只能由自洽的非线性理论来解决，它比较完整的反映 此非线性互作用的演变过程，场的幅值是时间的待定函数，电子与波的互作用就 自洽的确定了场的幅值。非线性理论很难得到解析解，需要大量的计算机计算， 用数值计算求解。它比线性理论更完善，所以利用它对回旋放大器进行优化设计。 这是常用的分析注波互作用的理论。 1 4 粒子模拟的理论及方法 计算机科学技术向前不停的发展着，计算机模拟这种研究手段也应运而生。 用计算机模拟计算跟踪大量单个微观粒子的运动，宏观物体的物质特性和运动规 律都是来自于对大量微观粒子进行统计平均。实际的粒子满足不了麦克斯韦分布， 动力学的矩方程方程封闭有解求解非常困难，同时这些方程的建立时忽略了粒子 固有的统计起伏效应。粒子模拟方法大大的解决了这些相应的困难，既可以反映 实际粒子的运动又可以提供详细的粒子信息。粒子模拟方法是6 0 年代d a w s o n 首 9 电子科技大学硕士学位论文 先提出，然后1 9 6 9 年b i r d s a l l 提出了有限大小的粒子模拟，从此粒子模拟方法得 到了广泛的应用和推广。对于回旋管类器件来说，粒子模拟方法比起一开始就用 实验方法来验证显得省时省力而且经济方便，用软件仿真先进行初步验证，得到 相关详细信息，反过来可指导实际设计，按照相关参数来制管是最有效率的科研 途径。国内外许多专家和学者都耗费了大量的时间和精力，投入了大量的资金来 开发用于回旋管的软件程序【1 3 1 4 】。目前较为主流的有m a g i c ，k a r a t ，m a f i a 等软件，分别是由美国，俄罗斯，德国所开发，电子科技大学也有自己研制的相 关软件c h i p i c 。另外还有专业的m a g y k l 与m a g y 专门用于回旋速调管。 伏拉索夫一麦克斯韦方程组是正确反映注波互作用的方程组，主要分运动电 子对场的激发以及在场的作用下电子的运动和群聚这两方面。可以由下面三个方 程来描述。公式( 1 - 1 ) 是电子运动激发出高频场，公式( 1 - 2 ) 是在波的作用下动力 学方程。公式( 1 - 3 ) 是描绘电子流相空间运动的相对论伏拉索夫方程。 v 2 刀一丢c 睾= 心鲁+ v m ) 2 a 2”夙 、 i d p = t d ( y m o v ) = - i p l ( 五+ ，b ) ( 1 2 ) 疵俄 | 、 望+ ，笪一p ( e + ! ，四) 笪：0 ( 卜3 ) 氆魂c j 却 在上面的各式中：e 是高频电场，- ，是电流密度，p 是空间电荷密度，晶是真 空中的介电常数，是真空中的导磁系数，p 是电子的动量， ，是电子运动的速 度，是电子的空间坐标，厂是电子的相空间分布函数。伏拉索夫方程组不能严格 求解，但作为此p i c 模拟在理论上面的基础，由于有计算电磁学的理论支持，所 以便派生了解此方程组的方法即p i c 方法，其基本思路是在一定的体积和时间段 上面对连续电磁波的数据取样压缩。关键是采用时域有限差分法f d t d ，根据电磁 场的普遍规律，将麦克斯韦旋度方程转换为差分方程组。这种方法在电磁场问题 上具有最广泛的通用性和适用性。当初始条件确定了之后，随着时间步长的一步 一步推进进行求解过程。采用一定的网格划分方式离散化场域，分配到网格上的 就是电磁场分量和电荷，电流密度等，而具体的电磁场大小可以通过相应的权重 函数来得到。采用内插值法，带电粒子在网格上运动，求解粒子运动方程，粒子 下一时刻的位置便相应确定。所以电磁场详尽的时空演化的数据以及参与注波互 1 0 第一章绪论 作用的粒子的空间相轨迹就可以通过重复上述步骤来获取，非常的实用和便捷。 而比较成功的处理带电粒子与电磁场互作用的通用程序就是m a g i c 。 美国的m i s s i o n 公司编制了m a g i c 程序，它可以模拟一部分或者全部整个物 理的过程，可以计算电磁场与粒子的相互作用以及互相随着时间的整个演变过程。 能够提供四种坐标系( 直角坐标系，圆柱坐标系，极坐标系，球坐标系) ，由p o i n t ， l i n e ，a r e a 等命令组建空间结构。网格的生成很灵活，可以自行划分也可专属指 定。在处理场方法上有m a x w e l lc e n t e r e d 、m a x w e l lq u a s in e u t r a l 、 m a x w e l l q u a s i _ s t a t i c 、m a x w e l lh i g h _ q 和m a x w e l lb i a s e d 。根据 物理模型和实际情况需要选取相恰当适应的方法。注波互作用选用m a x w e l l h i g hq 算法最合适，因为对于回旋器件来说粒子带有明显的相对论效应。而 m a x w e l lc e n t e r e d 则比较实用于无粒子或慢粒子的情况，此时速度最快。而 对于粒子的处理可以通过定义粒子种类，运动维数以及是否相对论性质等方法来 进行处理。m a g i c 的人机接口模块会将空间和时间模块，材料特性模块以及物理 计算模块编译成与其相应的m a g i c 程序语言代码，可以通过r a n g e ，o b s e r v e ， c o n t o u r 和p h a s e s p a c e 等命令来观察模拟计算的结果。 1 5 本论文的研究工作和意义 本学位论文结合所属教研室科研项目，对回旋行波管注一波互作用方面进行了 详细的模拟研究，具体工作如下： 1 、介绍了回旋行波管研究意义，进展及趋势，分析了其工作原理以及其自激 振荡问题，并进行了理论分析和数值计算。 2 、根据工作频率设计出合适的加载介质涂层的回旋行波管高频结构，使之能 够激励起正确的工作模式t e o 。模式并且有效抑制杂模及自激振荡。 3 、利用粒子仿真软件m a g i c 编写出3 5 g h z 连续波回旋行波管高频结构程序， 通过适度改变高频结构尺寸和介质涂层大小及位置，寻找到最佳高频结构，得到 在工作电压4 2 k v ，注电流2 a ，电子注横向与纵向速度比1 4 6 时的输出功率为 3 0 6 k w 的连续波输出功率，2 g h z 的3 d b 带宽，3 6 4 的效率及3 5 7 d b 的增益的设 计方案。 4 、分别分析了电子注参数、高频结构参数等相关参数对回旋行波管输出功率、 效率、带宽以及增益的影响，为下一步的回旋行波管的开发和模拟提供了参考。 电子科技大学硕士学位论文 第二章回旋行波管的理论分析及其自激振荡问题的研究 2 1 回旋行波管简介 高功率微波器件的发展随着高性能雷达和现代通讯技术的飞速发展而受到了 越来越多的关注。特别是军事通讯，航空航天和电子对抗等领域的迫切需求，对 高功率微波器件的工作频率，带宽和功率等性能都有着更高的要求。目前的回旋 放大器主要分为回旋速调管放大器和回旋行波管放大器。它们都是基于电子回旋 脉塞机理研制而成。早期发展的是回旋速调管放大器，各国研究机构都非常重视， 俄罗斯和美国的研究水平在国际上处于领先地位，回旋速调管放大器的优势在于 它的功率容量比较大，稳定性也比较好，然而回旋速调管在带宽上面却有很大的 不足之处，从长远方面看来，对于军事和通讯上面对高功率微波源的需求，回旋 速调管是无法满足的。而由于回旋行波管有着相对较大的带宽，因此对于回旋行 波管放大器的研究与制造成了现在的热门研究项目。 回旋行波管比起其他回旋器件，最大的优点在于它宽广的工作频带以及较高 的工作效率。其波导系统结构注波互作用段是平滑的波导，在行波段发生电子注 与波的互相作用，它不是谐振腔式的波导结构，是快波与回旋电子注之间的作用。 峰值功率从理论上来说可以达到一个很高的状态。许多国家都纷纷投入大量的资 金和人力财力对回旋行波管进行研制。美国的海军实验室( n r l ) 是首先对回旋行 波管机理进行试验研究的机构。美国的瓦里安公司( v a r i a n ，现称c p i ) 也在早期 做过许多探索性方面的工作。中国台湾清华大学( n t h u ) 在理论上做了较大的贡 献。除此之外，参与了研制回旋行波管的机构还有美国加州大学戴维斯分校( u c d ) ， 美国马里兰大学( u m ) ，美国麻省理工学院( m i t ) ，美国加州大学洛杉矶分校( u c l a ) ， 俄罗斯应用物