【《分布互作用速调管历史和发展现状文献综述》1900字】

分布互作用速调管历史和发展现状文献综述1961年，美国斯坦福大学Chodorow和Wessel-Berg研制的一只S波段三腔分布互作用速调管[10]（图1.1），工作电压22kV，注电流3.5A，饱和输出效率为40-50%，增益18dB，-3dB瞬时带宽达到2%。他们从小信号理论出发，研究了分布互作用速调管的效率和带宽，进行的相关实验证实了其理论的有效性。随后，H.Golde在此基础上研制了一只S波段五腔分布作用速调管[11]，增益在30dB，效率在40%以上，采用参差调谐瞬时带宽达到64MHz。图1.1S波段三腔分布互作用速调管早期分布互作用速调管多工作在一个模式（通常为2π模），其大带宽的优势并没有充分发挥。1967年Lien和Robinson提出多间隙耦合腔可以不局限于一个工作模式，合理的增加工作模式会起到展宽带宽的作用[12]。对于双间隙耦合腔输出回路，可以选择两种工作模式：一种是2π模（两间隙电场方向相同），一种是π模（两间隙电场方向相反）。他们在理论上对模式重叠情况进行了研究，并且认为：双间隙耦合腔重叠模的-1dB带宽是普通单间隙腔的4倍，是双间隙耦合腔单模的3倍。然而他们并没有做出相应结果，首先利用该技术获得成功的是瓦里安公司，群聚回路采用参差调谐单间隙腔，输出回路采用重叠模双间隙耦合腔，并通过加载滤波器使得效率和带宽大大增加[13]。在L波段，管子PT6006中心频率1.3GHz，工作电压33kV，注电流12.6mA，峰值输出功率100kW，瞬时带宽达到了8%，效率达到25%，增益在25dB。在S波段，管子PT1120采用双间隙重叠模输出，频率范围2.85-3.05GHz，工作电压79kV，注电流41A，峰值输出功率1.05-1.30MW，瞬时带宽达到了7%，效率达到35%，增益在30dB，后来通过提高互作用阻抗，使带宽扩展到了10%，-1dB带宽内效率达到35%。在X波段，管子PT6203采用双间隙重叠模输出，中心频率10GHz，峰值输出功率50kW，瞬时带宽达到了5%，效率达到30%。虽然瓦里安公司开发的分布互作用速调管采用了重叠模技术，但是仅限于输出回路，其群聚腔和输入腔仍然采用参差调谐的单间隙腔，从严格意义上来说，还不是完全的分布作用，所以效率和带宽还有进一步提升的潜力。从1996年起，CPI研制了一系列用于卫星通信Ka波段连续波EIKs[14]。传统Ka波段EIK，如图1.2（a）所示，设计采用固定调谐、均匀永磁聚焦和单级降压收集极，工作频率在27GHz-31GHz，连续波输出功率300W-1000W，瞬时带宽300MHz-1000MHz，使用寿命可达65000小时，总效率可以达到45%。为了进一步提高总效率，已成功研制Ka波段多级降压收集极（MultiStageDepressedCollector）EIK[15]，如图1.2（b）所示，瞬时带宽300MHz，输出功率为980W，总效率达到48%，进一步优化高频结构和收集极结构后，总效率预计可以达到50%。(a)单级降压收集极EIK(b)多级降压收集极EIK图1.2Ka波段分布互作用速调管近年来展宽瞬时带宽也成为EIK重要发展方向。机械调谐是指通过改变腔体尺寸或改变谐振腔加载的方法，以获得不同振荡频率来调整带宽大小[16]。随着精密仪器加工技术，电光设计等技术的进步，分布互作用速调管的工作频率可以扩展到450~500GHz。为了在该频带获得1W以上的输出，分布互作用速调管可以采用带状电子注技术或者高次模解决方案[17],从而提高稳定性利用参差调谐或模式重叠可以进一步展宽带宽和提高增益。2006年起，CPI致力于研制超小尺寸、高功率、高效率、高稳定性Ka波段脉冲EIK[18]。2008年，CPI研制成218GHz的连续波EIK[19]，输出功率峰值为7W，-3dB带宽为300MHz，重量不足4.3kg。值得注意的是，这支管子在注电压不超过12kV情况下，仍有峰值为9W饱和功率输出。目前，CPI已经研制出一系列毫米波亚毫米波分布互作用速调管，其工作频率覆盖了25~280GHz，输出功率从几百毫瓦到上千瓦，按工作方式分为脉冲和连续波两类。参考文献ChodorowM,KulkeB1966IEEETrans.ED.13439PerringD,PhilipsG,SmithMJ1976AGARDConferenceProceedings197ChenL,ChengFH,WangJD,YangCY,ChuKR2002Proc.IEEEIVEC322ShinY.M,ParkG.S2004J.KoreanPhys.Soc.441239RoitmanA,BerryD,SteerB2005IEEETrans.onED52895RoitmanA,HoroyskiP,HyttinenM,BerryD,SteerB2006Proc.IEEEIEVC191ChenL,GuoHZ,ChenHY,TsaoMH,YangTT,TsaiYC,ChuKR2000IEEETrans.PlasmaSci.28626ZhangKC,WuZH，LiuSG2008Chin.Phys.B173402KantrowitzF,TammaruI1988IEEETrans.onED352018M.ChodorowandT.Wessel-Berg,“AHighEfficiencyKlystronwithDistributedInteraction”,IRETransonElectronDevices,Vol.8,January,1961:pp.44-55.E.W.McCune,“FinalReport:TheMultistageDepressedCollectorProject”,NABEngineeringConference,LasVegas,NV,April1988哈依柯夫,А.З.著黄高年译,1980速调管放大器,北京:国防工业出版社,1987Catoiuetal.,“AdvancesinKlystronPerformanceforCommunications”,TheSixthIEEEInternationalVacuumElectronicsConference,2005:pp.233-234.S.E.Webber，“SomeCalculationsontheLargeSignalEnergyExchangeMechanismsinLinearBeamsTubes”,IRETrans.ElectronDevices,Vol.7,No.3,1960:pp.154.O.W.Sven.LargeSignalAnalyticalStudyofBunchinginKlystron.IEEETrans.onElectronDevices,Vol.15,No.8,1968:pp.595-603.崔健;罗积润;朱敏;郭炜;-《物理学报》休斯结构多间隙耦合腔的稳定性分析-2011-06-15（印）拉温德拉·阿罗拉，（德）沃尔夫冈·莫什·肖登．高电压与绝缘工程．上海：上海交通大学出版社，2017.09PaulTallerico,“DesignConsiderationsfortheHigh-PowerMulticavityKlystron”,IEEETrans.ElectronDevices,Vol.18,No.6,June,1971:pp.374-382.张乐著.简明大学物理[M].上海：同济大学出版社,2018.03.216页HFreistühler&GWarnecke.HyperbolicProblems:Theory,Numerics,Applications.2001.605.S.E.Webber，“LargeSignalBunchingofElectronBeamsbyStanding-WaveandTravelingWaveSystems”,IRETrans.ElectronDevices,Vol.6,No.4,1959:pp.365.S.E.Webber，“SomeCalculationsontheLargeSignalEnergyExchangeMechanismsinLinearBeamsTubes”,IRETrans.ElectronDevices,Vol.7,No.3,1960:pp.154.J.J.Barroso,K.G.Kostov,andI.G.Yovchev,“AProposed4GHz60kWTransit-TimeOscillatorOperatingat18kVBeamVoltage”,IEEETrans.PlasmaSci.,Vol.26,No.5,Oct.1998:pp.1520-1525.ZhikaiFan,Qingxian