加速器微波技术讲座(总)

1、低能电子直线加速器微波技术基础I 微波与电磁波谱简介II.电磁波基本知识回顾 nr微波技术的主要特点IV. 导行波系统及传输线理论V. 微波在波导管中的传输VI. 常用的微波元件VD.驻波加速器的微波传输系统举例I .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。II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。II微波波段频率f: 300MHz300GHz 波长兀lmlmm代号f (GHz)标称波长（cm）L1222S2410C485X8123电磁波的产生电荷激发电场电力线e电流激发磁场没有单磁极子磁力线是围绕电 流的闭合曲线随时

2、间交变的电场感 生交变的涡旋磁场随时间交变的磁场感 生交变的涡旋电场电磁波的产生广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: i振源开始，由近及远，在空间传: 种番的电磁波:“振源近区的场分布很复杂，远区: 则呈球对称分布。在离源更远的区勺 :域，球面则近似为平面波。：;平面电磁波在均匀无损媒质中的传播真空或理想无损媒质（导电率。=0）横电磁波（TEM 波）按单一频率3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*和导磁系数卩 在真空中即为光速C=3 X IO*米/秒o波阻抗ii=Em/HmE = ESirvcot kz ）

3、 呂=HniSin一 Xcn）员co = 2吋=2兀丁A = Z VV = 1/J& Zk = co = 2tz丸 n =、/“/在真空中iio=377Q平面电磁波在均匀有损媒质中的传播有损媒质有损媒质（导电率仍然是横电磁波（TEM波）单一频率3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*、p及有关，并随频率3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=a+jPoEmCSint - 0农x方=Hmea7Sincot - /3z-（po）y（3coP.2/r X =0Emr?=平面电磁波在良导体中传播的特点卩很大，波相速

4、很慢。S很小，波阻抗低，即 磁场较强，电场较弱。a很大，衰减很快。定义 趋肤深度6为场强衰减到 l/e=0.368倍的距离。例:铜o=5.8 X 107米/秒it it it良导体f=3000MHz条件下5=1.2微米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;入射平面与交界面相互垂直。反射角与入射角相等er=折射角与入射角有关系式为：Sin0i _ SinOtnFin in in in i出in 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2三个波的波幅关系要满足介质交

5、界面处电磁场的边界条件理想介质（6=巾=0） 交界面上没有自由电荷 也没有传导电流。Eh= E2t|Hlt= H2t（1 Ein= 2 E2n山 Hm=|12 H2n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辰IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII? 介质1中入射波与反射波合成场的平行分量E】t，Hit与；介质2中透射波场的平行分量E2t, Bh相等。IIIIII:合成场的法向分量D“ Bg与介质2中透射波场的法向III:分量。2口 B2n相等。IIIIIIIIIIIIIIIIII III III III III III III III III III III

6、III III III III III III III III III III III III III III IIIlb = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =理想导体表面的边界条件：5s=sww5（G2X）=ow（育宙）5 %wPr：和（传导）面电流js。:在理想导体表面处，入射波和反射波合成的结果满足：I 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）7很大，可近似为理想导体处理。： IIIEit=0Bi

7、n= 0Dln=PsHit打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。C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。c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。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T-10-9秒微波周期TulO-910-12秒C阴栅分布电容C 10-12法(屮if) f 106 Hz l/(c

8、oC )106Q f 10】Hz l/(coC)100QBO0I 之月猱 zhD =J w 9=Y另猱 ZHWO = J 5九0009=飞并猱 zhO=J飞月做 ZHO = JIV.导行波系统及传输线理论1 导行波系统简介2 平行双线和同轴线传输的TEM波3. TEM波传输线的等效电路4. 传输线的等效电路理论（无损传输线方程的一般解）5 传输线工作状态的分类6 传输线的状态参量1 导行波系统简介导行波系统（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?功率容量*F减大小*频带特性*尺寸合理性各种传输线传输爼传输爼% oC1G1L L1亠P|线导P双2

9、 *271 - 6 +1 - 4 r2_+Pn声兀-=n u 且2%一-an 1 / 兀 2俨一-=A 一 “n/(T K 2_-一-nx、 勺 尸 注分布参量Lp Ci与工作频率无关同轴线外导体的内径D,内导杠直径d,負间填充介质D ( d)常数为及卩，分希参量为L C.可见传输线分布参量由系统一-加（7）亨/米的尺寸及介j贡府料确定，频率无关；C = 27CS/ln()法冰但其呈现的阻抗是随频率而d变的。X l=3L , X c=3Ci50HzX i启 5 X IO 5 X 芒 8X109即米 欧/米例：D/d=2.3,空气介质c3000MHzX竺 3000欧咪X c 竺 0.8欧咪4 传

10、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。无损理想传输线方程的一般解(1)线上电压和电流分别都是由 入射波和反射波叠加而成。四个波的相移常数卩相同，且波 相速Vp相同，并无色散。U(z,t)=比(z,t)+ ur (z,t)i (z,t)= * (z,t)+ ir (z,t)Uj (z,t)=Uim Sin(cot+ pz )ii (z,t) =Iim Sin(cot+ pz +(p Jur (z,t)=Um S

11、in(cot-pz+(pr)ir (z,t) =Irm Sin(cot-卩z+(pr)(4) Vp和Z仅与传输线的L, C1有 关，与电源的频率f和功率P无关。P = y/S入V _60 _1P P VL1C1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Z。电源的f、P和负载Zl对传输线工作状态有影响吗?5传输线工作状态的分类电源的频率f确定工作波长入及 相移常数卩；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ZZo （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 三种状耒。电压入射波z JJ/电流入射

12、波z。Zl电压反射波2 电流反射波ZO行波状态ZoZl电压入射波. 力 W/ 3电流入射波 _ _ImUmZ0负载匹配ZL= Zo线上仅有入射波；像波浪一样向前传播；线上波幅Um，Im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Z。7 U（Z，t） _。曲 _ 7令一而厂厂一令Aimtij厢皿丽| Umax / -WilKJ | Umin驻波状态全反射（例：终端短路Zl二0）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（X/4）距离。波峰Umax=2Uim,波节Umin=071

13、入射波与反射波合成驻波u(z,t)=Uimsm(cot+pz)+ Urmsin(cot-pz+(pr) i(z,t) = Iimsin(cot+卩z) - Irmsin(cot 卩z+(pr) 终端短路 ZL=0 u(0, t)=0 全丿乂射Uim =Urm Iim Irm=71u(z,t) =2 UimSinpz Coscot i(z,t) =2 Iim Cospz Sincot 终端开路 ZL=oc i(0,t)=0 全反射 Uim =Urm Iim =Irm (pr =0 u(z,t) =2 UimCos卩z Sincot i(z,t) =2 Iim Sin(3z Coscot空间上相差

14、（X/4）距离。全反射驻波的输入阻抗Zin（Z）电流驻波与电压驻波在时间上相差（兀/2）空间上相差（A/4）距离。沿线的输入阻抗是以（”2）为周期变化的。 X/4线具有阻抗倒转性。Zin =U（乙 t） i（乙 t）2肌= -j2octg（z）纯虚数负载全反射电容负载 ZL=-jXc问题：纯虚数负载输入阻抗Zm(z)二? ZL =R+jX 主 Zo混波状态负载吸收部分功率，其余反射反射波小于入射波Un“Uim线上是存在一个行波加一个驻波 的混波状态沿线也存在驻波波腹和波节点,波峰Umax2Uim,波节口讪0电流驻波与电压驻波在空间仍相 差（X/4）距离。沿线的输入阻抗也是变化的。反射系数驻波系

15、数输入阻抗传输线的状态参量( N ) = Q) r 2Jf3 N ： /JPLJm u x. o-m hiO M lmin V 今)I(O O 2兀)Z*N /z、/A / A l /入荻Wt-t|wvL(0)T参考面1 I1/VW1 U nidx 1.11 I T、：k1ST Uniin: :0；2；1価Imino7 (ry _ 7 ZL+jZptg B Z j 上in -上o Zo+jZctgPz | ;TJ =U +U?max J im 丁 rmTT . =J _TT2 min 2 im rm传输线的状态参量转换关系三套参量，同一对象；可相互转换电压反射系数与电压驻波比（VSWR）一 Q

16、1行波状态时p=?1.01 r |=? oQIL引入功率反射系数 rP =r2=（罟尸 r =p0（i-|r|2）纯驻波時|P=?OC :r =?l.o1111p=1.2jr 0.01P/Po二？i1111h* MV MB * MB AM MB MB Ma * MBV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TEio3.波导中传输的电磁波简介4 波导传输微波的功率特性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y

17、空心金属管中能否存在静电场？（不能）矩形波导管中能否存在均匀分布的简谐（不能） 场Ey =Em sincot ?空心波导管能否传输TEM波？（不能）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）有也分量TM波（E波）横磁波（电波）有Ez分量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, 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；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 波长九必须恰当配合，才可能保证金属边

18、 界是切向电场E和法向磁场Hn的波节点。理论证明九越长月越小；x=Xc时e=o；波不再可能纵向传输；称k为截止波长。 不同的波型具有不同的比。例（如图为某一波型）=COS oa沿纵向传输的导波波长（相波长）沧不 同于自由波长入不同的波型在纵向传输的相速Vp及导波 波长血也不相同；矩形波导的电磁波存在无穷多个TEmn和TMLn的本征模式（m=0 丄2. n=0 丄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。TE “渋型TEOISE 型矩形波导中TE和TM波的传输特性参量

19、由波导尺寸（a, b）及模式标号决定。 TE讪，TMmn波型不同，氏相同。TE和TM波是色散波相速和群速均随频率变化TE30TE01 TE20 TE10截止入C单模多模区九=VpXc= 14.4cm fc=? 2080MHz矩形波导传输的主模TEio矩形波导的TE10模的k最长，称为最低模 称其他模为高次模。TEio模的Xc=2a,则全都截止。TEio模可实现单模工作，是矩形波导的主模。常用10cm波段的波导a =7.2cm b=3.4cmf=2998MHz X=10cm Zg =?13.9cm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本

20、征模 m标注辐向，n标注径向 XX, Vpc常用的模式特点TMoi有Em,可用与和电子相互作用（加模片成盘荷波导）TEh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）TEoi圆电模式，损耗最小，高Q腔波导传输微波的功率特性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（20-30）%例：72x34mm2波导，理论（2232MW）提高击穿值Eb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

21、或氮气（23气压，太大波导会变形）充SF6气体损耗与衰减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TEio波)传输过程中，波导发热，功率 损耗，指数衰减。E(z)=Eoe _azP()=Poe 8衰减单位(分贝，db)炬形麦的衷離心Cdb）2 P（Nep ）INep = 8.68dbA=3db P=O.5PoA= 1 Odb P=O.1P（）A=20db P=O.O1P（）VL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T3. 波导使用时的

22、几个实际问题无源微波传输元器件的作用内部没有电子束运动的器件叫无源器件微波元件的功能在于对微波进行各种变换，以达到各种目的。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，方圆转换盘荷波导耦合器其他：波导窗，波导三通弯波导，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A密封圈波导法兰接头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：增加损耗,发生反射, 泄漏微波,放电打火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