论文摘要
近30年,随着脉冲功率技术的发展与相关应用需求,高功率微波技术发展日渐成熟,高功率微波源已在P、L、C、X等中低波段获得了GW级的微波输出。但在较高频段(如Ku波段),由于器件尺寸的减小,功率容量受限,输出功率一般限制在百兆瓦量级。渡越辐射高功率微波源由于其结构简单、频率单一、输出功率高等优点而备受学者青睐,传统轴向渡越辐射器件大多工作于高阻状态,空间电荷效应较强,限制了注入电子束的功率。低阻的研究主要集中于同轴结构与径向结构,目前同轴器件在X、Ku波段的束波转换效率尚且不高(10%左右),径向器件几乎均存在金属箔,金属箔在强流束轰击下容易产生等离子体,不利于器件长脉冲和重频运行。高功率、高频段、长脉冲、高重频是高功率微波未来发展的重要方向,为了顺应这一发展趋势,本文提出了一种工作于Ku波段的低导引磁场无箔径向渡越时间振荡器(RTTO),并对该器件进行了详细研究:首先,推导计算了径向结构的空间极限电流公式,验证了径向结构空间电荷效应弱的优势;数值计算了Ku波段结构的本征模场分布,确认了该器件工作模式为径向TM01,从小信号理论出发,计算了0模、π/2模、π模的电子束电导,选取π/2模为其工作纵模。其次,重点对Ku波段低导引磁场无箔径向渡越时间振荡器进行了粒子模拟研究,研究表明:在电子束电压300 k V、束流18.3 k A,导引磁场0.6 T的激励下,模拟获得了功率2.2 GW、频率14.26 GHz的微波输出,束波转换效率40%,饱和时间在18 ns左右。分析了其RF场分布,电子束调制情况,结构参数对该器件工作性能的影响,并通过3D模拟验证了器件内部无角向非均匀模式的干扰。此外,对Ku波段径向速调管放大器进行了初探,模拟结果为:电子束电压300 k V、束流10 k A,注入信号功率42 k W,频率14.2 GHz,输出微波功率990 MW,频率14.2GHz,增益43.7 d B,效率33%。最后,对Ku波段低导引磁场无箔径向渡越时间振荡器进行了相关工程设计。重点设计了其励磁系统,提出了一种用于径向高功率微波的导引磁场线圈,计算了螺线管电感和所需电容器组数目以及电磁线长度,在电磁线充电电流722 A时,能够产生0.6 T的径向均匀磁场。此外,利用电磁仿真软件,设计了径向线波导、支撑杆结构和模式转换器等微波提取部件,将TEM模式转为TM01模式,其能量传输效率达99%,同时估算了注入2.2 GW时各部件最大射频场强度。