加速器微波技术讲座总

1、.微波与电磁波谱简介 微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红外线之间的波段。 波长不同的电磁波在产生、传输技术及应用等方面都将具 有不同的特点；发展了不同的学科。 牛牛文库文档分享 微波波段 频率f: 300MHz 300GHz 波长:1m 1mm 代号f（GHz） 标称波长（cm） L 1 222 S 2 410 C 4 8 5 X 8 12 3 牛牛文库文档分享 1.电磁波的产生 2.电磁波的传播特性 * 平面电磁波在均匀无损媒质中的传播 * 平面电磁波在有损媒质中的传播 * 电磁波在媒质交界面处的传播规律 .电磁波基本知识回顾 牛牛文库文档分享 电磁波的产生 电荷激发电场 电力线 +- 电

2、流激发磁场 没有单磁极子 磁力线是围绕电 流的闭合曲线 EH 随时间交变的电场感 生交变的涡旋磁场 随时间交变的磁场感 生交变的涡旋电场 牛牛文库文档分享 电磁波的产生 交变电场与交变磁场交互感 应， 相互支持，在空间形成统一的 从 振源开始，由近及远，在空 间传 播的电磁波 振源近区的场分布很复杂，远区 则呈球对称分布。在离源更远的区 域，球面则近似为平面波。 x y z x y z 牛牛文库文档分享 真空或理想无损媒质（导电率= 0） 横电磁波（TEM波） 按单一频率 正旋规律变化的平面 电磁波是简谐等幅的行波。 电磁波传播速度与频率无关，决定 于介质的介电常数和导磁系数 在真空中即为光速

3、.C3108米/秒。 波阻抗 =Em/Hm 在真空中0=377 2 1 22 )( )( Vk V VT Tf ekztSinHH ekztSinEE ym xm 平面电磁波在均匀无损媒质中的传播 kHEHE mm )( 牛牛文库文档分享 有损媒质（导电率 0） 仍然是横电磁波（TEM波） 单一频率 的平面电磁波，沿传播 方向是振幅衰减的行波。 波传播速度 V与介质的、及 有关，并随频率变化，是色散波。 波阻抗变为复数，并是频率的函数。 即电波与磁波之间有相位差。 波传输常数变为复数k=+j。 0 2 , , )( )( j m m p yo z m x z m e H E V eztSine

4、HH eztSineEE ）（ ），（ 平面电磁波在均匀有损媒质中的传播 有损媒质 无损媒质 牛牛文库文档分享 2 2 2 2 4 p jj m m V ee H E o 平面电磁波在良导体中传播的特点 很大，波相速很慢。 很小，波阻抗低，即 磁场较强，电场较弱。 很大，衰减很快。定义 趋肤深度为场强衰减到 1/e=0.368倍的距离。 例：铜 =5.8107米/秒 f=3000MHz条件下 =1.2微米 良导体 牛牛文库文档分享 电磁波在媒质交界面的传播特性 媒质1中的一束入射波在交界面处将 产生一束反射波和一束透射波。 线性媒质中三束波的频率一致。 三束波的波矢量同在一个入射平面上； 入射

5、平面与交界面相互垂直。 反射角与入射角相等 r= i 折射角与入射角有关系式为： 21 V Sin V Sin ti 三个波的波幅关系要满足介质交界面处 电磁场的边界条件 牛牛文库文档分享 三个波的波幅关系要满足介质交界面处电 磁场的边界条件 介质1介质2 理想介质（1= 2=0） 交界面 上没有自由电荷 也没有传导电流。 E1t= E2t 1 E1n = 2 E2n H1t= H2t 1 H1n = 2 H2n 牛牛文库文档分享 三个波的波幅关系要满足介质交界面处电 磁场的边界条件 在理想介质的交界面处 介质1中入射波与反射波合成场的平行分量E1t，H1t与 介质2中透射波场的平行分量E2t

6、，H2t相等。 合成场的法向分量D1n，B1n与介质2中透射波场的法向 分量D2n，B2n相等。 牛牛文库文档分享 理想导体（2）交界面 上有薄层（自由）面电荷s 和（传导）面电流 j s。 在理想导体表面处，入射波和反射波合成的结果满足： 电力线一定垂直于导体表面。 磁力线一定平行于导体表面。 良导体（如铜，银等）很大，可近似为理想导体处理。 + + + + + + + 理想导体 2 E=0 B=0. s j sE1t= 0 D1n=s H1t = j s B1n= 0 理想导体表面的边界条件 牛牛文库文档分享 .微波技术的主要特点 普通无线电波段使用的振荡管和放大管不能用于产 生或放大微波

7、。 微波波长与元器件的尺度可相比拟； 趋肤效应、辐射效应及延时效应明显表现，不可忽 略。 不能用任意形状的导线来传输微波。 微波元器件中的电场与磁场是相互依托，共同存在 的；没有单纯的电阻R 、电感 L或电容C等集中参 数的元器件及相应的由L和C组成振荡回路。 微波测量的基本参量不可能是电压、电流或电阻； 而是频率f、功率 P、波的散射参量及等效的阻抗参 量。 牛牛文库文档分享 普通栅控电子管在微波波段不能正常工 作 例： 电子渡越时间10-9秒 微波周期 T 10-9 10-12秒 阴栅分布电容 C 10 -12法 (f ) f 106 Hz 1/(C) 106 f 1010 Hz 1/(C

8、) 100 C， 牛牛文库文档分享 f = 50Hz 波长=? f = 50Hz 波长=6000km f = 50MHz 波长= 6 m f = 3GHz 波长= 10cm 牛牛文库文档分享 . 导行波系统及传输线理论 导行波系统简介 平行双线和同轴线传输的TEM波 TEM波传输线的等效电路 传输线的等效电路理论 （无损传输线方程的一般解） 传输线工作状态的分类 传输线的状态参量 牛牛文库文档分享 导行波系统（引导电磁波定向传输的传输线） 如何正确选取传输线？ 为什么不同频段需采用不同的导行波传输线？ 导行波系统简介 * 功率容量 * 衰减大小 * 频带特性 * 尺寸合理性 电源 负载 牛牛文

9、库文档分享 各种传输线 牛牛文库文档分享 不同频带的传输线 f 10MHz 100MHz 1000MHz 10GHz 100GHz 30 m 3 m 30 cm 3 cm 3mm 同轴线 波导管 平行双线 任意双线 受限于辐射损失 受限于辐射损失 受限于欧姆损耗 及功率容量 欧姆损耗 功率容量 受限于尺寸过大 传输线类型 微带 介质波导 受限于辐射损失 牛牛文库文档分享 2.平行线和同轴线传输的TEM波 H E EH E H EH 牛牛文库文档分享 TEM波传输线的等效电路 沿线分布串联阻抗和并联导纳 Z1 = R1+jL1 Y1 = G1+jC1 无损条件下，可忽略R1，G1 微波频率下 L

10、1 R1， C1 G1 Z1 = jXL = jL1 Y1 = jXC = jC1 分布参量R1、G1、 L1、和 C1随频率变化吗？ C1 C1 C1 C1 C1 L1 L1 L1 L1 L1 R1 L1 C1 G1 R1 L1 C1 G1 牛牛文库文档分享 平行线和同轴线的分布参数 牛牛文库文档分享 分布参量L1，C1与工作频率无 关 ) d D ln(/2C ) d D ln( 2 L 1 1 亨/米 法/米 同轴线外导体的内径D， 内导体直径d， 其间填充 介质常数为及，分布参 量为L1，C1 可见传输线分布参量由系 统的尺寸及介质材料确定， 与频率无关； 但其呈现的阻抗是随频率 而变

11、的。 X L=L1 ， X C=C1 50Hz X L 510-5 欧/ 米 X c 8109 欧/ 米 3000MHz X L 3000 欧/ 米 X c 0.8 欧 /米 例：D/d=2.3，空气介质 ， Dd 牛牛文库文档分享 传输线等效电路理论 电源通过沿线的分布电感 逐步向分布电容充电，形 成向负载传输的电压波和 电流波。 长线理论解电路方程，可 求得线上分布的等效电压 和电流波 ： u(z , t) , i(z , t) *注意：习惯将坐标原点放 在 负载参考面。 zo ZL i(z,t) u(z,t) 电 源 负 载 牛牛文库文档分享 无损理想传输线方程的一般解 线上电压和电流分

12、别都是由 入射波和反射波叠加而成。 四个波的相移常数相同，且波 相速VP相同，并无色散。 入射波电压与电流的幅值比及 反射波电压与电流的幅值比相等； 定义为：传输线的特性阻抗Z0 VP和Z0仅与传输线的L1 , C1 有 关，与电源的频率f和功率P无关。 也与负载阻抗ZL无关。 u(z,t)= ui (z,t)+ ur (z,t) i (z,t)= ii (z,t)+ ir (z,t) ui (z,t)=Uim Sin(t+ z +i ) ii (z,t) =Iim Sin(t+ z +i ) ur (z,t)=Urm Sin(t-z+r ) ir (z,t) =Irm Sin(t- z+r

13、) 电源的f、P和负载ZL对传输线工作状态有影响吗？ 1 1 rm rm im im 0 11 P 11 C L I U I U Z CL 1 V CL 2 VP Z0 牛牛文库文档分享 电源的频率f 确定工作波长及 相移常数； 波幅的绝对值由电源功率P决定； 电源的内阻较为复杂，暂不讨论； 先假定Zg = Z0 （源端无反射）。 传输线的工作按不同 负载ZL的情 况，可分为行波、驻波和混波 三种状态。 传输线工作状态的分类 电流入射波 zo 电流反射波 ZL Z0 Zg zo 电压入射波 电压反射波 zo zo 牛牛文库文档分享 行波状态 Im Um 0 Z 电压入射波 电流入射波 Z0 z

14、 Zg o zo ZL 线上仅有入射波；像波浪 一样向前传播； 线上波幅Um ，I m不变 电压和电流波同位相 （ 波峰位置相同） 线上各处输入阻抗为常数 并等于Z0 0 im im in Z I U ) t , z ( i ) t , z ( u Z 负载匹配 ZL = Z0 牛牛文库文档分享 Umax Umin t1 t2 t3 t4 驻波状态 全反射 （例：终端短路 ZL = 0） Urm=Uim 入射波与反射波合成，保证负载处 u(0, t)=0 纯驻波像弦振动一样 原地振荡，不向前传播。 沿线存在驻波腹和波节点，两者 相距（/4）距离。 波峰Umax=2Uim，波节Umin=0 牛牛

15、文库文档分享 入射波与反射波合成驻波 终端短路 ZL=0 u(0, t)=0 全反射 Uim =Urm Iim =Irm r = u(z,t) =2 UimSinz Cost i(z,t) =2 Iim Cosz Sint u(z,t)=Uimsin(t+z)+ Urmsin(t-z+r) i(z,t) = Iimsin(t+z) - Irmsin(t -z+ r) 终端开路 ZL= i(0, t)=0 全反射 Uim =Urm Iim =Irm r =0 u(z,t) =2 UimCosz Sint i(z,t) =2 Iim Sinz Cost 电流驻波与电压驻波在时间上相差（ /2） 空

16、间上相差 （ /4）距离。 牛牛文库文档分享 电流驻波与电压驻波在时间上相差（ /2）空间上相差 （ /4）距离。 沿线的输入阻抗是以（/2）为周期变化的。 /4线具有阻抗倒转性。 )z 2 (tg 0 jZ ) t , z( i ) t , z(u in Z )z 2 (ctg 0 jZ ) t , z( i ) t , z(u in Z 全反射驻波的 输入阻抗Zin(z) 牛牛文库文档分享 纯虚数负载全反射 纯感负载 ZL = j XL 纯电容负载 ZL = j XL 电容负载 ZL =- j XC 问题：纯虚数负载输入阻抗Zin(z)=? 牛牛文库文档分享 混波状态 负载吸收部分功率 ，

17、其余反射 反射 波小于入射波 UrmUim ZL =R+jX Z0 沿线也存在驻波波腹和波节点， 波峰Umax2Uim，波节Umin0 电流驻波与电压驻波在空间仍相 差 （ /4）距离。 沿线的输入阻抗也是变化的。 线上是存在一个行波加一个驻波 的混波状态 牛牛文库文档分享 传输线的状态参量 反射系数 z2)z( U U e r im rm j 驻波系数 )20( ) 2 l0( )( 4 l U U min min min max 输入阻抗 ztgjZZ ztgjZZ 0in L0 0L Z)z(Z rmimmin rmimmax UUU UUU Umax Umin /2 lminlmino

18、 T参考面 牛牛文库文档分享 传输线的状态参量转换关系 三套参量，同一对象；可相互转换 1 1 1 1 电压反射系数与电压驻波比(VSWR) )1(PP ) 1 1 ( 2 0 r 2 2 P 引入功率反射系数 1.0 0 1. 0 纯驻波时 =？ =？ 行波状态时 =？ =？ =1.2 Pr/P0=？ 0.01 牛牛文库文档分享 .微波在波导管中的传输 1.概述： 波导管可以传输什么样的电磁波？ 波导是怎样传输电磁波的？ 2.矩形波导中的电磁波 波导模式（波型） TE及TM波的传输特性及参量 矩形波导的主模TE10 3.圆波导中传输的电磁波简介 4.波导传输微波的功率特性 牛牛文库文档分享

19、波导管可以传输什么样的电磁波？ 空心金属管中电磁波不可能自由传输 必须满足电磁场的基本规律 必须满足金属边界条件 空心金属管中能否存在静电场？ 矩形波导管中能否存在均匀分布的简谐 场Ey =Em sint ? 空心波导管能否传输TEM波？ 微波理论和实验证明波导管中可以传输 TE 和 TM 波 TE波( H波) 横电波（磁波） 有Hz分量 TM波(E波) 横磁波（电波） 有Ez分量 （不能） （不能） （不能） x z y 牛牛文库文档分享 波导管是怎样传输电磁波的？ TEM波斜射进入波导，受金属壁来 回往返反射，曲折前进，通过波导。 入射波和反射波叠加合 成，可以在 波导中形成各种各样的TE

20、, TM波。 每个波型的电磁场在金属边界均满足 Et =0 Hn =0 横截面内是驻波场； 牛牛文库文档分享 波导管是怎样传输电磁波的？ 理论分析结果每个波型在边界的入射角与 波长必须恰当配合，才可能保证金属边 界 是切向电场Et和法向磁场Hn的波节点。 理论证明越长,越小； =C 时=0； 波不再可能纵向传输；称C 为截止波长。 不同的波型具有不同的C。 沿纵向传输的导波波长（相波长）g不 同于自由波长 c cfV 1) (1 Cos Cos g gp c 2 c g g a g 不同的波型在纵向传输的相速VP 及导波 波长g也不相同； COS a 例（如图为某一波型） 牛牛文库文档分享 矩

21、形波导的电磁波 存在无穷多个TEmn和TMmn的本征模式 (m=0,1,2. n=0,1,2) mn是模式标号，分别表示宽边和窄边上的驻波波腹 数 本征模式：可以单独存在的某一种基本的电磁场形态 各种模式的场可以叠加成复杂的场存在与波导中。 通常采用单模工作状态。 牛牛文库文档分享 矩形波导中TE和TM波的传输特性参 量 由波导尺寸（a，b)及模式标号决定。 TEmn ， TMmn波型不同，c相同。 TE和 TM波是色散波相速和群速均随频率变化 2 p 2 c 2 c p 2 c g 22 c CVgV ) (1CVg ) (1/CV ) (1/ ) b2 n () a2 m ( 1 c 2b

22、 a 2a TE30 TE01 TE20 TE10 截止单模多模区 c V TEM C VpC Vg C Vg=Vp 牛牛文库文档分享 矩形波导的TE10模的C最长，称为最低模 称其他模为高次模。 TE10模的C=2a, 2a, 则全都截止。 TE10模可实现单模工作，是矩形波导的主模。 矩形波导传输的主模TE10 常用10cm波段的波 导 a 7.2cm b 3.4cm C=14.4cm fc=? f=2998MHz =10cm g =? 13.9cm 2080MHz 牛牛文库文档分享 圆波导中传输的电磁波简介 基本概念与矩形波导一样 TEM波斜射，金属壁反射 无穷多TEmn , TMmn

23、本征模 m标注辐向，n标注径向 c 可传输，g，Vpc 常用的模式特点 TM01 有EZ场, 可用与和电子 相互作用（加模片成盘菏波导) TE11 最低模，辐向变一周期 径向有一波腹，用于与矩形波 导连接（波导窗，磁控管的方 圆转换） TE01 圆电模式,损耗最小,高Q腔 牛牛文库文档分享 功率容量 最大允许通过功率Pmax （平均值） 与波导尺寸，工作 频率 及场强Em 有关。 Pmax 受限于场强Em 的击穿值Eb，与 波 导的清洁度及光洁度有关，但更主要的 是决定与波导内的介质情况。 实际值往往仅为理论值(2030)% 例：72x34mm2 波导,理论(2.23.2MW） 提高击穿值Eb

24、可采用的措施： 抽真空(低真空Eb最低） 充干燥过滤的压缩空气或氮气 （23气压，太大波导会变形） 充 SF6气体 波导传输微波的功率特性 30 Eb p KV/cm 760mmHg 牛牛文库文档分享 实际波导金属材料不是理想导体， 是良导体。电磁波在内壁有高频 感应面电流（例TE10 波） 传输过程中，波导发热，功率 损耗，指数衰减。 E(z)=E0e -z P(z)=P0e -z 衰减单位（分贝，db) db68.8Nep1 Nep P P ln 2 1 B db P P lg10A 0 0 ）（ ）（ A=3db P=0.5P0 A=10db P=0.1P0 A=20db P=0.01P

25、0 损耗与衰减 牛牛文库文档分享 .常用的微波元件 1.无源微波传输元器件的作用 2.各种微波元器件简介 匹配负载，短路活塞，波导同轴转换 衰减器，移相器， 波导三通（E-T,H-T) 定向耦合器 波导双T和魔T 3.波导使用时的几个实际问题 牛牛文库文档分享 无源微波传输元器件的作用 定向传输： 弯波导，角波导，扭波导 分配&合成： E-T, H-T， 功率调配： 衰减器，移相器 定向耦合： 定向耦合器，波导桥 隔离去耦： 隔离器，环流器 阻抗匹配： 吸收负载，阻抗调配器 波型转换： 同轴线与波导，方圆转换 盘菏波导耦合器 其 他： 波导窗，波导三通 内部没有电子束运动的器件叫无源器件 微波

26、元件的功能在于对微波 进行各种变换，以达到 各种目 的。 牛牛文库文档分享 弯波导，角波导，扭波导 保证微波定向传输，机械安装要求 主要要求，附加反射小 R大好，L为(g /4)的奇数倍好 牛牛文库文档分享 波导法兰接头 增加损耗， 发生反射， 泄漏微波， 放电打火 波导连接是保证微波正常传输的重 要环节连接不好有下列问题发生： 牛牛文库文档分享 终端匹配负载 单端口元件 理想的匹配负载应无反射 按传输线类型分别有同轴， 波导微带线的负载 功率容量不同的负载结构 不同 主要指标 功率容量 VSWR （电压驻波比） 牛牛文库文档分享 衰减器和移相器 用于调配功率及相 位 外形结构相象，区 别 区

27、别在于介质片上 是否涂有电阻性吸 收薄膜。 介质片调至波导中 间 时，作用最大。 牛牛文库文档分享 定向耦合器 具有方向性的功率采样器 用于功率，频率等参量的监测及提供 控制电路需要的信号 主要指标 耦合 度 ）（ db P P lg10C 4 1 ）（ db P P lg10D 3 4 方向 性 副波导 主波导 1口 3口 2口 4口 /4 牛牛文库文档分享 隔离器与环流器 防止传输系统中的反射波进入微波功率源， 隔离器利用了各向异性的铁氧体材料，在 外加磁场的作用下，对微 波呈现方向性 ； 入射波可无衰减通过，反射波则被吸收。 隔离器的主要参数：（例 GLS-1型） 工作频带 ：29981

28、0MHz 正向衰减 ：0.5db 反向隔离：30db 功率容量： 2MW(脉冲) 2KW(平均) 使用大功率隔离器特别注意： 磁场、冷却及充气气压要求； 不要用铁制工具； 附近不要放磁性材料。 牛牛文库文档分享 环行器与魔T 牛牛文库文档分享 双T和魔T 牛牛文库文档分享 四端环流器 牛牛文库文档分享 四端环流器的工作原理 1 D B 3 2 4 A C B 0EE4E ) 2 tcos(EEEE )tcos( 2 E 2 1 E ) 2 tcos( 2 E 2 1 E ) 2 2 tcos( 2 E 2 1 E ) 2 tcos( 2 E 2 1 E )tcos( 2 E E ) 2 tco

29、s( 2 E E )tcos( 2 E E )tcos( 2 E E )tcos(EE 4D4c 02D2c2 0 4D 0 2D 0 4C 0 2C 0 D 0 C 0 0 B 0 0 A 01 E4=0 牛牛文库文档分享 波导窗 牛牛文库文档分享 .驻波加速器的微波传输系统举例 四端环流器 磁控管 水负载 1口 3口 2口 4口 弯波导 方圆转换 干 负 载 弯波导 直波导 加速管 软波导 波导窗 钛泵 牛牛文库文档分享 .微波技术的主要特点 普通无线电波段使用的振荡管和放大管不能用于产 生或放大微波。 微波波长与元器件的尺度可相比拟； 趋肤效应、辐射效应及延时效应明显表现，不可忽 略。

30、不能用任意形状的导线来传输微波。 微波元器件中的电场与磁场是相互依托，共同存在 的；没有单纯的电阻R 、电感 L或电容C等集中参 数的元器件及相应的由L和C组成振荡回路。 微波测量的基本参量不可能是电压、电流或电阻； 而是频率f、功率 P、波的散射参量及等效的阻抗参 量。 牛牛文库文档分享 传输线等效电路理论 电源通过沿线的分布电感 逐步向分布电容充电，形 成向负载传输的电压波和 电流波。 长线理论解电路方程，可 求得线上分布的等效电压 和电流波 ： u(z , t) , i(z , t) *注意：习惯将坐标原点放 在 负载参考面。 zo ZL i(z,t) u(z,t) 电 源 负 载 牛牛文库文档分享 无损理想传输线方程的一般解 线上电压和电流分别都是由 入射波和反射波叠加而成。 四个波的相移常数相同，且波 相速VP相同，并无色散。 入射波电压与电流的幅值比及 反射波电压与电流的幅值比相等； 定义为：传输线的特性阻抗Z0 VP和Z0仅与传输线的L1 , C1 有 关，与电源的频率f和功率P无关。 也与负载阻抗ZL无关。 u(z,t)= ui (z,t)+ ur (z,t) i (z,t)= ii (z,t)+ ir (z,t) ui (z,t)=Uim Sin(t