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高增益相对论速调管放大器自激振荡机理及抑制技术研究

作　者: 陈永东
导　师: 金晓; 李正红; 黄华
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 无线电物理
关键词: 高功率微波相对论速调管放大器回流电子腔间耦合非工作模式
分类号: TN122
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高功率微波器件受其结构和功率容量的影响,其峰值功率受到限制。要实现更高的辐射功率,目前可行的技术路线是多台高功率微波器件的合成。由于相对论速调管放大器具有高增益、高功率以及相位和频率稳定的特点,因此强流相对论速调管放大器是目前实现该技术路线的优选微波器件之一,但这种器件在高增益条件下很容易产生自激振荡问题,严重影响器件的工作特性。论文基于一个四腔S波段强流高增益相对论速调管放大器进行了自激振荡产生机理及相关抑制技术的理论分析、粒子模拟和实验研究。论文根据单腔振荡和腔间耦合振荡的机理,(1)分析了单腔自激振荡的物理过程,并给出相对论速调管中各谐振腔的渡越角范围；(2)分析了腔间耦合导致自激振荡的物理过程,给出了高次模起振电流与器件结构参数之间的关系,并给出了提高起振电流抑制高次模产生的措施,该措施为：通过调节中间腔之间的漂移管长度(漂移管长度要同自激振荡模式谐振长度失配)、降低中间腔的Q值提高高次模起振电流和在漂移管中加载吸波材料截断高次模的传播途径来抑制自激振荡,从而实现腔间耦合的抑制,(3)通过PIC粒子模拟不仅验证了该措施的有效性,同时在kW注入微波条件下,模拟获得了增益大于60dB,功率3GW的高功率微波输出。关于强流相对论速调管放大器中回流电子问题,该问题主要涉及器件输出腔设计、注入微波功率和电子束等参数的优化,论文从四个方面进行研究：(1)从理论上推导出回流电子所受约束力的表达式,该式很好地解释了电子回流过程中容易发散的现象；(2)研究了回流电子产生的机理,给出了电子的回流与输出腔间隙电压、电子进入输出腔间隙时的初始相位和初始动能的关系；(3)分析了回流电子在末前腔引起自激振荡的回流电流强度和相位条件。(4)模拟分析了注入微波,电子束,器件结构等参数变化对电子回流的影响,给出了抑制回流电流引起的自激振荡的措施,即调节注入微波、腔体结构,电子束等等参数的控制回流电子强度,以及提高末前腔回流电流起振阈值抑制自己振荡,并在模拟中得到了验证。论文结合抑制自激振荡的措施,利用PIC程序完成了S波段3GW高增益强流RKA的模拟设计,在电子回流和腔间耦合自激振荡达到抑制的基础上,当注入微波2.3kW,电子束电压电流分别为1MV,12.5kA条件下模拟获得功率3GW,增益61dB,效率24%的稳定微波输出,同时将电子束参数900kW,8kA,1.3kW注入下获得2.05GW,效率28.5%,增益的RKA器件在LTD加速器平台开展了微波器件实验,(1)实验上验证了自激振荡抑制措施的有效性,(2)在注入微波功率为10kW级,电子束参数为900kV,7.8kA条件下,实验上获得GW级高功率微波输出,微波脉冲宽度为103ns,效率为26.5%,增益达到52dB。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-18
  1.1 研究背景  9-13
    1.1.1 高功率微波和微波源的发展现状  9-10
    1.1.2 强流相对论速调管的概况  10-13
    1.1.3 高增益强流相对论速调管的需求分析  13
  1.2 自激振荡对相对论速调管的影响  13-16
  1.3 论文主要内容  16-17
  1.4 论文工作创新点  17-18
第二章单腔振荡和腔间耦合振荡机理及抑制措施研究  18-29
  2.1 单腔振荡的物理过程及其抑制  18-20
  2.2 腔间耦合机理的理论研究  20-24
  2.3 腔间耦合抑制措施的研究  24-27
  2.4 小结  27-29
第三章回流电子自激振荡机理及抑制技术研究  29-65
  3.1 回流电子的动力学过程  29-35
    3.1.1 回流电子产生的机理  29-33
    3.1.2 电子的径向动力学过程  33-35
  3.2 电子束与谐振腔的相互作用  35-42
    3.2.1 谐振腔的束波互作用  35-37
    3.2.2 输入腔的束波互作用  37-39
    3.2.3 中间腔的束波互作用  39-41
    3.2.4 输出腔的束波互作用  41-42
  3.3 电子回流的模拟分析  42-54
    3.3.1 注入微波功率对电子回流的影响  43-46
    3.3.2 电子束参数对电子回流的影响  46-50
    3.3.3 器件结构参数对电子回流的影响  50-54
  3.4 回流电子引起自激振荡的机理研究  54-59
    3.4.1 回流电流强度对自激振荡的影响  55-56
    3.4.2 回流电子产生自激振荡的相位分析  56-58
    3.4.3 回流电流对输入腔的场激励  58-59
  3.5 电子回流对器件工作特性的影响  59-62
    3.5.1 电子回流对器件效率的影响  59-60
    3.5.2 回流电子对增益的影响  60-61
    3.5.3 电子回流自激振荡对相对论速调管频率相位的影响  61-62
  3.6 电子回流自激振荡的抑制  62-64
  3.7 小结  64-65
第四章 S波段强流高增益相对论速调管模拟设计  65-73
  4.1 单腔振荡以及耦合自激振荡抑制  65-67
  4.2 电子回流自激振荡抑制及优化  67-69
  4.3 模拟结果分析  69-72
  4.4 小结  72-73
第五章实验  73-86
  5.1 实验系统  73-75
  5.2 实验测试方法  75-76
  5.3 实验结果及分析  76-77
  5.4 自激振荡抑制措施的验证研究  77-85
    5.4.1. 腔间耦合振荡的抑制验证  77-78
    5.4.2. 回流电流自激振荡抑制的验证  78-85
  5.5 小结  85-86
第六章结束语  86-88
  6.1 总结  86-87
  6.2 未来展望  87-88
致谢  88-89
参考文献  89-94
攻读博士学位期间学术论文发表情况  94

高增益相对论速调管放大器自激振荡机理及抑制技术研究

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