（等离子体物理专业论文）相对论速调管输出腔结构设计与优化.pdf

摘要 摘要 本文系统的介绍了速调管的工作原理、主要特点、发展概况、主要性能指标 和技术特点，解析的研究了电子束在相对论速调管放大器的调制腔和漂移管中的 预群聚；用粒子一一波互作用的场方法导出了在辐射腔中预群聚电子束产生辐射 的自洽方程，同时对线性区的增益进行了计算。理论分析表明，场分析法可用于 计算单注单间隙、多注多间隙、单注多间隙和多注多间隙速调管输出回路的谐振 频率、间隙阻抗实部和外观品质因数等特性参数。 本文研究了相对论电子注中的空间电荷波，建立了相对论空间电荷波的一般 理论。导出了空间电荷波方程，定义了相对论动电压，并探讨了它的物理含义。 对s 波段高功率相对论速调管的设计进行了分析，以能量为6 0 0 k e v 、电流为 5 0 0 0 a 的电子束为直流功率源，对单间隙驻波输出结构、行波输出结构、单间隙 驻波腔输出加上行波输出的双输出结构进行了数值模拟。从数值模拟中得到双输 出结构的微波功率输出结果为：驻波输出的瞬时功率为2 4 g w ( 周期平均为 o 9 6 g w ) ；行波输出结构输出瞬时功率为2 1 g w ( 周期平均0 9 3 g w ) ，就获得了频率 为2 8 5 g h z 的微波输出。 本文简要的描述了电磁软件( m a g i c ) 对速调管输出腔体进行了模拟，并对 相应的模拟方法进行了评述。 关键字：速调管， 高功率，扩展互作用，带宽，辐射 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a s i cp r i n c i p l e ，m a i np r o p e r t i e s ，t y p i c a lp a r a m e t e r s ，t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d g e n e r a ls i t u a t i o no fk l y s t r o na r ei n t r o d u c e d t h ee l e c t r o nb e a mp r e b u n c h i n gi nt h e m o d u l a t e dc a v i t ya n ds h i f tt u b e o fr e l a t i v i s t i c k l y s t r o na m p l i f e r 限k a ) i ss t u d i e d a n a l y t i c a l l y , as e l f - c o n s i s t e n te q u a t i o no fr a d i a t i o ng e n e r a t e db yt h ep r e b u n c h e de l e c t r o n b e a mi nt h er a d i a t i o nc a v i t yi sd e r i v e du s i n gt h ef i e l dm e t h o do fp a r t i c l e - - w a v e i n t e r a c t i o ni n s t e a do ft h ee l e c t r i c a lc i r c u i tm e t h o d ，a n di nt e r m so fi t , t h eg a i ni nt h el i n e a r r e ：g i m ec a l c u l a t e d ，af i e l da n a l y s i sm e t h o di sp r o p o s e d t h et h e o r ya n a l y s i ss h o w st h a t t h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s ，s u c h a s r e s o n a n c e f r e q u e n c y , r e a lp a r t o f g a p i m p e d a n c e ，e x t e r n a lq u a f i t yf a d t o ri na l lk i n d so fk l y s t r o no u t p u tc i r c u i t si n c l u d i n g s i n g l e b e a m ，m u l t i b e a m ，s i n g l e g a p ，m u l t i g a p ，s i n g l e - b e a m m u l t i - g a p ，m u l t i - b e a m m u l t i g a pk l y s t r o no u t p u tc i r c u i t ，c a nb ec a l c u l a t e db yt h ef i e l da n a l y s i sm e t h o d d e s i g nc o n s i d e r a t i o n so ft h eh i g hp o w e rs b a n dr k aa r ed e s c r i b e d ，b yu s i n g e l e c t r o nb e a m so f v o l t a g e 一6 0 0 k v ，c u r r e n t 一5 0 0 0 a ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h r e e k i n d so ft h er k a o u t p u ts t r u c t u r e sa r eg i v e n t h et h r e ek i n d so ft h eo u t r ) u ts t r c t u r e sa r e s i n g l e - g a ps t a n d i n g - w a v e ( s w ) c a v i t y , t r a v e l i n g w a v e ( t w ) o u t p u ts t r u c t u r e ，a n dt w o o h t p u ts t r u c t u r e s ( s i n g l e g a p + t r a v e l i n g - w a v es t r u c t u r e ) u n d e rc o n d i t i o n so fu s i n gt w o o u t p u ts t r u c t u r e s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s t a n t a n e o u sp e a kp o w e ro b t a i n e df r o ms w o u t p u tc a v i t ya n dt wo n t f u ts t r u c t u r ei sr e s p e c t i v e l y2 4 g wa n d2 1 g w t h eb o t h p o w e ra v e r a g eo f0 9 6 g wa n d0 9 3 g w , i e t h es - b a n dr k a o ft w oo u t p u ts t r u c t u r e s g e n e r a t e sp e a ko u t p u tp o w e r o f1 8 9 g wa taf r e q u e n c yo f2 8 5 g h z t h es p a c ec h a r g et h e o r yo fr e l a t i v i s t i ce l e c t r o nb e a mi ss t u d i e da n dt h eg e n e r a lt h e o r y h a sb e e nf o r m u l a t e di n t h i sp a p e r , t h es p a c ec h a r g ew a v ee q u a t i o n sf o rr e l a t i v i s t i c e l e c t r o nb e a mh a v eb e e nd e r i v e d ，t h er e l a t i v i s t i ck i n e m a t i cv o l t a g ei sd e f i n e da n dt h e p h y s i c a le x p l a n a t i o ni sd e s c r i b e d t h et h e o r e mo fr e l a t i v i s t i ck i n e m a t i ce n e r g yh a sb e e n d e r i v e d ，a n dt h en o r m a l i z e dm o d e lo fr e l a t i v i s t i cs p a c ec h a r g ew a v ei sd e r i v e da sw e l l i nt h i sp a p e r ，t h es i m u l a t i o no fu s i n ge l e c t r o n m a g n e t i cs o f t w a r ea n ds p e c i f i cc o d ei s d e s c r i b e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm e t h o d sa r ec o m m e n t e d k e y w o r d s ：k l y s t r o n ，h i g hp o w e r , e x t e n d e di n t e r a c t i o n ，b r o a d b a n d ，r a d i a t i o n 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： 日期：时阴胪 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：导师签名： g 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 速调管放大器的发展概况 速调管放大器具有大功率、高增益、高可靠性等独特的优点，所以在通信电 视、雷达发射机、基本粒子加速器和其他微波技术领域中得到广泛的应用。 速调管的发展历史大体上可分为以低功率、高功率和宽频带为主要特征的几 个阶段。第一只速调管是从三十年代做出的双腔速调管。其增益大约是2 0 分贝， 效率仅为百分之2 0 到3 0 ”。不久以后出现了磁控管。由于后者在功率及效率等方 面的优越性，故在初期对速调管的研究仅限于低功率器件。但是，由于速调管阴 极，高频作用区与散热的集电极彼此分离的特点，它具有提高功率的极大潜力。 同时，速调管还具有高增益和频率稳定等优点，所以四十年代后，高功率速调管 迅速发展起来。美国斯坦福大学所做的用于直线加速器的s 波段大功率脉冲速调 管是大功率速调管发展的里程碑。由于速调管采用高q 值谐振腔，在很长一段时 间内被公认为是窄带器件。但是，随着速调管功率的增强，从理论上证明了峰值 越高，速调管频宽的潜力越大。 2 0 世纪4 0 年代初期，前苏联的v f k o v a l e n k o 和法国的j b e r n i e r 提出了多 注速调管的概念。6 0 年代初，美国通用电气公司的m r b o y d 和j p o h l 等发展了 行波多注速调管。他们研制的实验型行波多注速调管，采用波导型行波传输系统 作为高频互作用电路，采用1 2 个等间距排列的电子注和三个波导型行波电路，获 得了5m i v 的峰值功率，1 2 一1 6 的带宽，2 3 d b 的增益和1 6 一2 1 的效率。由 于电子注聚焦系统复杂，互作用效率低，稳定性差等问题，这种类型的多注速调 管未被使用和发展。实用型速调管是由前苏联的s k o r o l j e v 等在2 0 世纪6 0 年代 发展的。他们采用工作在基模( t m 。) 的重入式谐振腔作为高频互作用电路，通过 发展高发射电流密度阴极，控制极调制多注电子枪，滤波器加载分布作用宽带输 出电路，周期反转永磁聚焦等新技术，研制成功了覆盖整个微波波段的一系列紧 凑型高性能多注速调管，并广泛应用于雷达和通讯系统。六十年代以后，速调管 主要是向着高功率，宽频带和宽脉冲及连续波方面发展。以适应各种用途的不同 需要。从目前来看，速调管无论是在脉冲功率还是在平均功率方面都超过其他类 电子科技大学硕士学位论文 型的微波管，增益也是所有微波管中最高的，达到了高于8 0 分贝的稳定增益，效 率达到百分之六十以上，高于行波管。工作稳定性和寿命亦是其他微波管所无法 比拟的”1 。 除前苏联外，法国t h o m s o n c s f 公司从8 0 年代起开始研制用于电视发射机的 低频多注速调管。但未用于实际系统。9 0 年代后期开始研制用于加速器的l 波段 i o m w 多注速调管。 中国科学院电子学研究所和北京真空电子技术研究所等单位从1 9 9 2 年开始发 展多注速调管“1 。已经研制出和正在研制覆盖整个微波波段的多注速调管，其中一 些类型的多注速调管已用于实际的微波电子系统。 9 0 年代末期，美国斯坦福加速器中心( s l a c ) 提出了发展用于下一代超级正 负电子对撞机的g w 级超大功率多注速调管的设计概念嘞。 多注速调管技术的发展受到了世界各国的高度重视4 1 ，美国海军研究实验室的 r h a b r a m s 等在“2 1 世纪的真空电子学”一文中认为多注速调管技术的进展是发 展高功率、高效率、宽频带紧凑型微波电真空器件的一个非常重要的创新例子。 近年来，除俄罗斯、中国继续发展多注速调管外，法国、美国和日本也加大了对 多注速调管研究的投入。 1 2 大功率速调管的技术现状 大功率速调管目前应用还是比较广泛。1 。表1 1 列出典型的加速器用速调管。 其主要特点就是高峰值功率。治癌医用加速器，辐照和探伤的工业用加速器，所 用速调管的功率均在几m w 至十几m w ，工作频率为2 8 5 6 - - 3 0 0 0 m h z 。典型的速 调管有v k s 一8 2 6 2 ，t h 2 0 7 4 和k s 一5 9 。高能物理和基本粒子研究用加速器，其所用 速调管大致可分为两类。一类是高能电子直线加速器，电子同步辐射加速器和正 负电子对撞机用速调管，其峰值功率达到几十m w 至几百m w ，工作频率在s 波 段，x 波段，脉宽1 5 微秒。典型的速调管为s l a c 的5 0 4 5 型，峰值功率6 7 m w ， 脉宽为3 t 5 微秒，输出段采用双间隙耦合腔，以提高效率，降低间隙高频电场，防 止高频击穿。我国高能物理所的正负电子对撞机采用我国生产的h k - 1 型3 4 m w 速调管，其工作频率为l o 一1 6 g h z ，峰值功率大于1 0 0 m w ，脉宽1 0 0 - - - 1 0 0 0 微秒。 另一类速调管用于自由电子激光器，超导加速器，质子加速器和正负电子储存环。 其工作频率为1 0 0 1 3 0 0 m h z ，长脉冲或连续波工作。最大平均功率已达1 m w 。 可控热核聚变是人类未来能源的重要手段“，聚变等离子体微波加热需要峰值 2 第一章绪论 功率几百k w 至几m w ，脉宽几百毫秒至几十秒，工作频率1 - - 4 g h z 的速调管。 典型管型有法国t o m s o n - - c s f 公司的t h 2 1 0 3 ，工作频率3 7 g h z ，峰值功率达 6 5 0 k w ，脉宽1 秒，日本东芝公司和日本原子能研究所的工作频率2 g h z ，输出 功率为1 m w ，脉宽为1 0 秒的速调管。 表1 - 1 粒子加速器用速调管一览表 各种雷达系统是速调管的最重要的应用领域。1 。表1 2 给出典型的雷达用速调 管。雷达用速调管工作频率覆盖整个微波波段。应用于军事目的雷达系统，由于 抗干扰的需要，要求尽可能宽的瞬时工作频带。宽带速调管主要有三种类型，即 有滤波器型输出段的宽带速调管，具有双间隙耦合腔输出段的分布作用速调管和 具有行波结构输出段的行波速调管。采用滤波器型输出段的宽带速调管，当功率 电平大于1 0 m w 时，瞬时带宽可达1 0 ，而在m w 级功率电平上，其带宽为5 一8 。典型的管子有t h o m s o n c s f 公司的t v 2 0 9 2 ，v a r i a n 公司的v a 8 3 4 5 和l e a s ( 中国科学院电子学研究所) 的k s 一1 7 等。分布作用速调管采用重叠模双向间隙 耦合腔输出电路，在m w 级功率电平上，获得了1 0 1 2 的带宽，典型的管型有 v a r i a n 公司研制的v k s 一8 3 4 7 ，工作频率3 3 g h z ，峰值功率为1 2 5 m w , 瞬时带宽 1 2 ，增益4 0 d b ，效率4 0 。i e a s 研制的k s 一2 6 和k l - 3 8 ，在s 和l 波段，在 m w 级功率电平上，获得8 一1 0 的带宽。行波速调管是一种复合管，群聚段与 速调管相同，输出段采用行波慢波结构。当功率电平大于5 m w 时采用蜈蚣型慢波 3 电子科技大学硕士学位论文 结构。功率电平为1 - 5 m w 时采用三叶草慢波结构。在几百k w 功率电平上，采用 耦合腔慢波结构“。目前已形成产品的行波速调管在数m w 功率电平上，带宽7 一9 。典型的管型有v a l 4 5 和v a l 4 6 系列，i e a s 的k s 一3 7 。 表1 - 2 雷达用速调管一览表 在较低功率电平上，由俄罗斯科学家和工程师发展的多注宽带速调管，将多 电子束技术、宽带技术、周期反转永磁聚焦和高发射电流密度阴极等结合在一起， 获得了宽频带、高效率、高增益、低工作电压、体积小和重量轻等优点，如俄罗 斯科研生产联合体t o f f y 生产工作在s 波段，峰值功率2 5 0 k w ，平均功率1 2 5 k w ， 工作电压小于2 0 k v ，瞬时带宽8 ，效率大于4 0 ，增益5 0 d b ，管子和群聚装置 的总重量小于5 0 千克，由俄罗斯科研生产联合体研制的一个低频、低功率速调管， 采用6 1 个电子束，在6 k w 的功率电平上，获得了1 8 的带宽。 民用雷达，如导航雷达、气象雷达、深空探测雷达和微波遥感雷达，由于不 需要宽的瞬时带宽，速调管是理想的功率放大器“。由于其增益可达到4 0 6 0 d b 。 只需用固态源作前级，大大简化了发射机系统。导航雷达用速调管工作在l 和s 波段，峰值功率1 - 5 m w ，典型的管子有v a 9 6 3 a 和k l - 2 8 。气象雷达用速调管的 工作在s 、c 和x 波段，峰值功率几十k w 至m w 级。典型管子有t h 2 1 0 1 、 v k s 一8 2 8 7 、l - 5 7 2 8 ，其输出功率7 5 0 k w ，工作频率2 7 3 0 g h z ，增益5 0 d b ，效 率大于4 0 。中国科学院电子学研究所研制的气象雷达用速调管k c 一5 6 和k s 一6 1 。 4 第一章绪论 在c 波段和s 波段输出功率5 0 0 1 0 0 0 k w 。深空探测雷达用速调管工作在x 波段。 连续波输出功率几百k w 。典型管有v k x - 7 8 6 4 a ，工作频率8 5 1 0 m h z ，输出功率 2 5 0 k w 。 通信和电视广播是速调管的另一个重要应用领域“，见表1 3 。卫星通信地面 站采用永磁聚焦，预设信道的机械调谐速调管、工作波段为s 、c 和k u 波段。连 续波输出功率1 - 5 k w 。典型的管子有v a 9 3 6 g 、t h 2 4 1 7 和k s 一0 7 等。散射通信用 速调管的工作频率为1 - 2 g h z ，输出功率为1 - 1 0 0 k w 。典型的管型v k s 一7 7 7 0 、k s 一0 7 等。电视广播用速调管工作在p 波段，输出功率几十k w ，为了减少其体积和重 量，正在发展速调四极管和多注速调管。工业微波加热用速调管的工作频率为 2 4 5 0 m h z ，输出功率几十k w ，效率可达7 0 。 表1 - 3 通信和电视广播用速调管一览表 目前，研制多注速调管的主要单位有俄罗斯的i s t o k ，t o r i y 和s v e t l a n a 等科研 生产联合体，中国的中国科学院电子学研究所( i e c a s ) 和北京真空电子技术研究 所( b v e l ) ，法国的t h o m s o n 电子管公司( n e ) 等，美国的斯坦福加速器中心 ( s i a c ) 和日本高能物理所( k e k ) 等单位也在开展多注速调管的研究工作“。 i s t o k 是最早研制出实用型多注速调管的单位。表1 4 给出了主要性能指标“。 他们研制的s 波段多注速调管，采用3 6 个电子注，线包聚焦，电子注电压3 2 k v ， 输出脉冲功率8 0 0 1 0 0 0 k w ，平均功率1 0 1 4 k w ，增益4 3 d b ，效率4 8 - 5 0 ，带 宽1 2 ，该管互作用电长度为1 2 0 0 ，磁屏间距仅为2 7 0 m m ，相位灵敏度仅为7 0 ( 电压变化1 ) 。除了表1 - 1 列出的多注速调管，i s t o k 研制的l 波段6 k w 多注速 电子科技大学硕士学位论文 调管，采用6 1 个电子注，工作电压仅为2 7 k v ，带宽达1 8 ，效率4 0 ，增益4 0 d b 。 他还发展了工作在高次模式的多注速调管，如7 5 k v x 波段多注速调管，采用工作 在t m 3 1 0 模的同轴谐振腔和杆控调制方式。i s t o k 还采用了三间隙耦合腔输出电路 展宽频带。为了获得高的电子注通过率，i s t o k 的多注速调管大都采用均匀场电磁 聚焦和永久聚焦。 表l _ 4 多注速调管主要性能指标 表1 5 给出了t o f f y 研制的部分多注速调管的性能“”。其中研制的s 波段高峰 值功率多注速调管，其峰值达到5 m w ，平均功率2 5 k w ，工作电压5 5 k v ，仅为同 等功率电平的单注速调管的一半。t o r i y 还发展了c 波段2 0 0 k w 多注速调管，该 管采用t m 2 a o 高次模谐振腔为高频互作用电路。t o f f y 的多注速调管大多采用周期 反转永磁聚焦方式，大大减小了聚焦系统的重量和体积。 表1 - 5 多注速调管主要性能指标 俄罗斯s v e t l a n a 研制的中小功率多注速调管有一定的特色，表1 - 6 给出了速调 管性能指标。s v e t l a n a 发展的x 波段多注速调管m b k - 8 8 ，其互作用段由7 个双间 隙同轴谐振腔组成，1 9 个电子注，输出功率6 k w ，带宽5 0 0 m h z ，增益4 3 d b ，效 率为2 7 。该管的阴极发射密度2 5 a c m 2 ，寿命为1 0 0 0 小时。该公司还发展组合 式多注速调管。s v e t l a n a 发展的双组合x 波段1 5 k w 多注速调管包括两个子多注 第一章绪论 速调管，每个子多注速调管由7 个双间隙同轴腔组成，包括2 7 个电子注，电子注 直径为l m m 。两个子速调管的输入和输出谐振腔互相连在一起，通过一个公共的 波导与外界耦合，其余谐振腔是分离。该管输出功率为1 5 2 4 k w ，带宽达到5 。 表1 7 给出中国科学院电子学研究所研制的多注速调管的性能“。 表1 - 6 多注速调管主要性能指标 该所研制的s 波段多注宽带速调管k s 一6 0 采用1 8 个电子注，周期反转永磁聚焦 工作在n 模的滤波器加载双间隙耦合腔宽带输出段。 表1 7 中国科学院电子学研究所的多注速调管主要性能指标 3 5 4 5 3 5 4 5 3 5 4 5 3 5 4 5 3 5 3 0 3 0 3 5 3 0 3 5 3 5 4 0 1 8 2 0 1 8 2 0 1 7 1 9 1 6 - - 1 8 1 7 1 8 2 l 2 3 1 6 1 8 1 8 2 0 北京真空电子技术研究所研制的c 波段2 0 0 k w 多注速调管，采用t m 2 2 0 高次 模谐振腔，采用4 组2 8 个电子注，周期反转永磁聚焦系统，输出段为三节滤波器 双间隙耦合腔，其脉冲功率大于2 0 0 k w ，平均功率大于1 0 k w ，带宽3 1 0 m h z ， 最大效率3 1 。法国t h o m s o n 电子管公司正在发展高功率高效率多注速调管“。 他们发展的l 波段t h l 8 0 1 型多注速调管，采用7 个电子注，6 腔结构，其脉冲功 率1 0 m w ，平均功率1 5 0 k w ，脉宽为5 0 0 微秒，电子注电压1 1 5 k v ，电子注电流 为1 3 3 a ，效率高达6 5 ，增益为4 7 d b ，带宽为1 6 m h z 。该管采用电磁聚焦，直 流通过率达9 9 ，通过率达到9 8 。该公司在发展s 波段1 m w 多注宽带速调管。 7 镐船蛎蛎踮砷 蛎惦蛎蛎 鹳蚰蛎 蛎 鹞 札们蚰 8 7 8 8 2 5 7 9 ； 。m。8撕m。 猢|言啪啪垂言枷卯他贴盯珀妮札睁隆晗睁肛盼阶卧 电子科技大学硕士学位论文 大功率速调管作为高功率，高增益和高效率微波放大器件，在粒子加速器、 可控热核聚变等离子体加热、能束武器和空间微波能输电系统、工业微波加热等 应用微波能量的场合，占有主导地位“。在导航雷达，气象雷达，电视广播等窄 带应用场合，速调管也得到广泛应用。在宽带应用场合，通过采用机械调谐，参 差调谐，滤波器加载电路，分布作用输出电路和行波输出段，多电子注技术等宽 带手段，速调管与行波管，交叉场放大器一起，成为通讯和雷达系统的三种主要 大功率微波宽带放大器件。 近年来，由于应用的需要，速调管的研究和生产获得了稳步发展，根据国外 1 9 9 0 年市场统计，速调管的销售额占微波管的1 5 7 ，仅次于行波管。在我国， 随着正负电子对撞机，电子同步辐射加速器，自由电子激光器等迅速发展，速调 管的需求呈增加趋势。 1 3 大功率速调管的技术进展和发展趋势 近二十年来，由于受到雷达、通讯、加速器和聚变等离子体加热装置等应用 领域的推动，大功率速调管获得了稳步发展。其中引人注目的是多注速调管的研 制成功并投入实际应用中。俄罗斯科研生产联合体t o r i y 和i s t o k 等单位重点发 展用于雷达和加速器的多注速调管“。t o r i y 发展的s 波段5 m w 多注速调管，工作 电压为5 5 k v ，仅为普通速调管的半。雷达用速调管的工作频率覆盖整个微波波 段，输出功率为几十k w 至几百k w ，带宽5 一8 。t h o m s o n c s f 公司正在开发电 视广播用的多注速调管，工作频率为4 2 5 m h z ，输出功率为i o o k w ，采用6 个电子 注。多注速调管的主要特点是： 1 ) 导流系数高，工作电压低。 2 ) 在较低的功率电平上可以实现宽频带。 3 ) 高效率和高增益。 4 ) 可采用周期反转永磁聚焦和控制极调制方式，大大减小聚焦装置的重量和 电源调制器的体积 速调管的另一个技术进展是瞬时工作频带的展宽。其中最突出的是采用重叠 模工作的双间隙耦合腔的分布作用速调管，在m l v 级功率电平上获得了1 2 的瞬时 带宽。如采用滤波器加载双间隙腔，可望在5 0 0 k w 功率电平上，获得1 0 的带宽。 将宽带技术与多电子注技术相结合，预计在百k w 的功率电平上可获得1 0 的带宽。 这一技术进展必将大大提高宽频带雷达发射机的性能。 第一章绪论 速调管的第三个技术进展是在高频范围内实现高峰值功率。美国斯坦福加速 器中心研制的x 波段速调管，在1 1 4 2 g h z 产生了7 2 m w 的峰值功率，其脉宽l o o n s 。 俄罗斯、日本等国也在研制i o o m w 量级的x 波段速调管。这一类速调管的主要难 题是电子枪的高压击穿，输出间隙的高频击穿，高发射电流密度阴极，高功率输 出窗等。研究表明，采用在钨基底表面或体内附加锇、铱或钪的浸渍阴极，有可 能在5 0 一l o o n s 的脉宽内获得2 0 0 a c m 2 的发射电流密度。为了避免高频击穿，可采 用无漂移管头的圆柱谐振腔或多间隙耦合腔输出段。为了获得大于i o o m w 的功率 输出，正在发展相对论速调管、组合式速调管、栅调管、激光微波管等新的速调 管类器件。 今后大功率速调管的发展趋势表现在以下几个方面”： 1 ) 大力发展多注速调管。一类是雷达用宽带多注速调管，其峰值功率几十k w 至几百k w ，平均功率几硎至十几k w 。另一类是电视广播用多注速调管，工作在p 波段，连续波输出功率几十k w 。第三类是用于加速器的，峰值功率几m w 至几十 m w 。美国s l a c 正在发展一种磁控注入枪型的组合式多注速调管。主要的技术问题 是：高发射电流密度、长寿命的阴极和热粒子组件；工作在高次模式的谐振腔； 高质量的电子光学和聚焦系统等。 2 ) 展宽单注速调管的带宽。重点发展滤波器加载重叠模双间隙耦合腔的分布 作用速调管，使其瞬时工作带宽达1 0 一1 5 。并研究采用三模重叠双间隙耦合腔 展宽频带的可能性。 3 ) 提高峰值和平均功率。在x 波段，发展峰值功率大于i o o m w 超高功率速调 管和用于聚变等离子体加热装置的高平均功率速调管，在s 波段，长脉冲或连续 波功率大于1 m w 。 4 ) 效率提高。发展工业微波加热及未来空间微波能输电系统的高效率速调管。 利用二次谐波群聚，双问隙耦合腔等方法，将速调管的效率提高到7 0 一8 0 。 5 ) 可靠性和寿命的提高。发展高发射电流密度、长寿命的覆模和合金型浸渍 阴极，承受高功率的高频输出窗。 6 ) 精确模拟速调管中电子与高频场相互作用的三维大信号计算程序的开发。 提高设计水平，缩短研制周期。 1 4 速调管输出腔设计的意义 高功率微波在国防、科学研究及民用领域的应用和需求的推动下得到了迅速 电子科技大学硕士学位论文 的发展，目前广泛引起研究兴趣的是与应用和需求密切相关的源与系统，可以说 应用和需求决定着高功率微波的发展方向及各种源的前途和命运。“。同时高功率 微波技术的发展和成熟又将拓展新的应用领域和发展空间，进一步推动高功率微 波技术的进步。而相对论速调管短脉冲能产生2 0 g w 的功率输出。美国海军实验 室研制的相对论速调管放大器( r k a ) ，利用近似虚阴极结构来有效地使放大器件 中电子群聚，单脉冲工作方式可以达到1 5 g w 以上，进一步提高功率。在设计高 功率速调管的过程中，输出腔的设计十分重要。实际上，输出腔的特性在很大程 度上影响到了整管的性能，尤其是输出腔的特征阻抗值，它是决定整管频宽的重 要参数，耦合多间隙输出腔具有较高的特性阻抗，间隙处电场均匀并能承受很高 的场强值，而且结构也较简单，因此长期受到重视，它一直是大功率宽带速调管 的首选输出腔，特别是近年来发展较快的大功率多注速调管，几乎无一例外的选 择了耦合双圆柱形重入式腔作为输出腔。然而，为了满足现代通讯工程、雷达和 电子对抗等的需要，多注速调管的工作带宽仍需进步拓宽，这将对输出腔的特 性阻抗提出了更高的要求；另一方面，随着工作频率的降低，谐振腔的体积逐步 增大，以致整管的体积和重量都过大，不能满足现代电子系统小型化的要求。因 此，寻找体积小同时具有更高特性阻抗的新型微波谐振腔是当前设计较低频段的 速调管中的一项迫切的任务。 1 5 本论文的主要内容 1 ) 本文系统的介绍了速调管的工作原理、主要特点、发展概况、主要性能指 标和技术特点，解析的研究了电子束在相对论速调管放大器的调制腔和漂移管中 的预群聚；用粒子一一波互作用的场方法导出了在辐射腔中预群聚电子束产生辐 射的自洽方程，同时对线性区的增益进行了计算。理论分析表明，场分析法可用 于计算单注单间隙、多注多间隙、单注多问隙和多注多间隙速调管输出回路的谐 振频率、间隙阻抗实部和外观品质因数等特性参数。 2 ) 本文研究了相对论电子注中的空间电荷波，建立了相对论空间电荷波的一 般理论。导出了空问电荷波方程，定义了相对论动电压，并探讨了它的物理含义。 3 ) 对s 波段高功率相对论速调管的设计进行了分析，以能量为6 0 0 k e v 、电 流为5 0 0 0 a 的电子束为直流功率源，对单间隙驻波输出结构、行波输出结构、单 间隙驻波腔输出加上行波输出的双输出结构进行了数值模拟。从数值模拟中得到 双输出结构的微波功率输出结果为：驻波输出的瞬时功率为2 4 g w ( 周期平均为 第一章绪论 0 9 6 g w ) ：行波输出结构输出瞬时功率为2 1 g w ( 周期平均0 9 3 g w ) ，就获得了频率 为2 8 5 g h z 的微波输出。 4 ) 本文简要的描述了电磁软件( m a g i c ) 对速调管输出腔体进行了模拟，并 对相应的模拟方法进行了评述。 1 6 本论文的结构 第一章绪论 第二章速调管的相关理论 第三章慢波系统及相对论空间电荷波理论 第四章高功率速调管输出腔数值模拟方法 第五章相对论速调管输出腔可行性数值模拟 第六章结论 致谢 参考文献 攻硕期间取得的研究成果 电子科技大学硕士学位论文 第二章速调管的相关理论 2 1 速调管放大器的基本工作原理 象任何一种电子器件放大器一样，速调管也是把直流电源的能量转变为高频 能量。电子由直流电场加速，并从加速场中获得能量；当处于高频场的减速场时， 便把所获得能量的一部分交给高频场2 3 。因而，放大器的效率取决于减速过程进 行的有效程度。 为了获得高效率，必须饺器件工作区的对流电流的交变分量充分的放大，并使 受到减速的电子数量远远超过受到加速的电子数量。当然，电子减速的效率也与 高频场的相位和振幅有关。 图2 1 五腔速调管示意图 图2 - 1 为五腔速调管的示意图。从阴极发射的电子经电子枪作用形成均匀的电 子注，然后，电子注进入高频区作用。当高频信号送入输入腔时，在腔间隙处就 会建立起高频电场。电子在输入腔受到高频场的作用，在高频场的正半周穿过的 电子受到加速，而在负半周穿过的电子受到减速。于是在输入腔问隙出口处电子 的速度变成不均匀，即电子受到了速度调制。但这时电子的相对位置还来不及改 变，因而电子注的电流密度基本上还是均匀的。从输入腔出来的速度调制电子注 进入第一漂移管后。由于速度不同，快的电子会逐渐赶上前面的慢电子，使电子 注穿过第二腔时，将在腔内感应起高频电流，如果第二腔也调谐在工作频率上， 腔内感应的电流将激起比第一腔更强的高频振荡。反过来，它又作用于电子注上， 使电子注受到比第一次更强的速度调制。电子注进入第二段漂移管后，变成比第 第二章速调管的相关理论 一次群聚更好的群聚电子注，如此反复，当电子注进入第三腔，第四腔后，变激 起一次比一次更强的高频振荡，电子注的群聚也变得越来越好。当电子注进入第 五腔时，电子注已变成群聚相当好的群聚电子注。当由绝大数电子群聚成的群聚 块在感应电场的负半周穿过间隙时，受到减速，把能量转换为高频场能量。高频 场能量通过输出腔的耦合孔到达输出波导，再通过输出窗到达负载，从而完成对 高频信号的发大任务。 2 2 电子流的动态控制原理 为了有效把电子流的直流能量转化为高频能量，必须采用密度调制的电子流。 利用静电控制的方法可以产生密度调制电子流o “。但是在传统的真空电子管中。 由于渡越时间的有害影响难以完全克服，所以并不是一个最好的方法，为了开拓 电磁波源，特别是为了产生大功率、短波长的电磁波，迫切需要探求各种新的电 子流控制方法，速调管中电子流的漂移群聚就是一种产生密度调制电子流的新方 法。 下面我们来介绍这种控制原理和机构。一般来讲，能量转换的要求，希望有 一种控制机构，它能在输出回路高频间隙平面上提供一个交变电子流分量： ( 2 1 ) 这种控制机构的具体形式，可根据各种不同应用要求而各不相同。静态栅控机构 是一种直接控制方案，但是存在渡越时间效应限制，因此需找寻新的控制原理和 机构。从电子运动时空图2 2 可以发现：如果首先使电子注的速度作周期性的改 变，然后让不同速度的电子通过从栅控装置到输出间隙之间一段距离的滑行，那 么原为均匀的电子流将逐渐发生变化，变成不均匀的密度调制的电子流。在这个 过程中，电子速度的这种周期性变化，称为电子注的速度调制，电子流的这种控 制方法称为动态控制。图2 3 是一种最简单最典型的电子流动态控制装置，它采 用一个与输入谐振腔相连的间隙上的高频场对通过间隙的均匀电子流作用，就能 实现动态控制，广泛应用于各种速调管中。如果在此装置的输出平面上设置一个 输出腔，就可以构成最简单的双腔速调管放大器，如图2 4 所示：在双腔速调管 中，由阴极和加速极组成的电子枪产生一密度均匀的电子流，或称电子注，它通 过一个加有正弦调制信号的间隙时，受间隙高频场作用，使正半周通过的电子加 速，负半周的电子减速，在离开间隙时电子速度已不再相等，这个过程即为速度 电子科技大学硕士学位论文 调制，但这时电流密度还是均匀的，还未受到调制，电子注离开间隙后进入无场 漂移空间作惯性运动。由于在先后不同时刻进入漂移空间的电子速度不等，后进 入漂移空间的快电子逐渐追上先进入漂移空间的慢电子，使电子注变得有稀有密， 不再均匀，这个过程称为群聚。或者说电子注已由速度调制变为密度调制了，这 时电子注中就包含了交变分量。然后，在电子密集程度较高的位置上设置一个能 x 0 t 图2 2 速度预调制电子在无场空间运动的时空图 图2 - 3 电子流的动态控制原理 堪蘸鞠秘目像 图2 - 4 速调管中电子流的动态控制原理 1 4 第二章速调管的相关理论 量接受装置或输出装置。例如设置一个接有谐振腔的输出间隙。那么，当群聚电 子注穿过此输出间隙时，就激发输出腔，在腔内建立感应电流和高频电压，输出 高频能量。最后电子注到达收集极上，将剩余能量转化为热能耗散了。所以，典 型的电子流动态控制装置和最简单的速调管原理应包括电子发射、加速取得直流 能量、速调、群聚、激发腔体输出高频能量至负载和最后落到收集极五个基本过 程。 2 3 速度调制原理 在输入间隙中，高频场对电子注的作用表现为两个相反的过程，一方面是间 隙上外加高频场对电子注作用，使电子注产生速度调制；另一方面使电子注对高 频场作用，相对于谐振腔问隙口并联了一个负载，吸收高频场的能量，称为电子 注负载。 我们已经知道在有限渡越角情况下电子离开间隙时的速度为： v 。= w j n ( 即鲁) 式中吼；兰堕为间隙直流渡越角 v 0 u ；昙讹 s i n ( 皂) 肛蕾 为交变速度幅值 ( 2 - 2 ) 为电子注与间隙的藕合系数，或称电子注与间隙的相互作用系 数。 从公式可知：耦合系数的概念是用来说明高频场对电子注作用的有效程度或 高频场与电子注的耦合程度的，是描述间隙调制的重要物理量，因为从上面的公 式可以得到如下结论。 2 驯1 - + 等s i n ( a t l 斜 一e g o + 峨s i n ( 耐1 + 皂) ( 2 - 3 ) 电子科技大学硕士学位论文 该式说明，当调制电压是正弦变化时，电子能量的调制也是按正弦规律变化 的，但电子穿过间隙时所感受到的最大电压已不是v 。，而是m v 。，且m v 。 0 ，这表明信号源要将功率交给电子注，电子注对信号 源来说，相当于一个负载，因此常称g 。为电子注负载。 当吼一( 2 石，2 8 5 ；r ) ，g b o ，此时电子注对信号源来说，相当于一个负电 导，电子不能吸收能量，而把自己动能的一部分交给信号源，因此间隙有建立自 激振荡的可能。 通常我们把速调管的谐振腔间隙的渡越角当吼都小于玎，一般在( 0 5 0 7 ) 石之间，电子负载电导约在( 0 1 o 7 ) g o 之间。 v ( t ) a 电子住 厂 图2 - 5 调制间隙的等效电路 2 5 电子注的漂移群聚 在研究电子注的群聚通常采用两种理论：空间电荷波理论和运动学理论。”。 运动学理论基本思想是，把运动着的电子注视为由有许多个点电荷或电荷群构成， 跟随这些电荷或电子群在系统空间的运动，考察它们在越过系统空间各个区域时 产生的散开和集积情况计算由此产生的速度，电荷和群聚电流的大小。由于漂移 空间不存在其它电场，当忽略空间电荷场时，电子在漂移空间作惯性运动，到达z = f 处的时间为t 。： r ：引。+ 寺( 1 一丢心n 峨) v 0 z 1 7 ( 2 7 ) 电子科技大学硕士学位论文 将上式两端乘以c