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带状电子束高功率微波源输出系统研究

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第一章 绪 论

1.1 高功率微波

1.2 高功率微波输出系统

1.3 课题的研究内容及结构安排

第二章 带状电子束微波源收集极

2.1 收集极结构对微波传输的影响

2.2 收集极的初步热分析

2.3 小结

第三章 模式转换器的设计研究

3.1 大横纵比TM11-TE10模式转换器的原理型设计

3.2 TM11-TE10模式转换器的紧凑型设计

3.3 标准TEM-大横纵比TE10模式转换器设计

3.4 标准TEM-大横纵比TM11模式转换器设计

3.5 小结

第四章 输出系统一体化设计

4.1 波导缝隙阵列天线

4.2 收集极、模转、天线一体化设计

4.3 小结

第五章 实验设计及测试

5.1 实验装置的工程设计

5.2 低功率条件下冷测实验

5.3 高功率条件下热测实验方案设计

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作和结论

6.2 今后工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

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摘要

不断提高的应用需求促使高功率微波技术向更高功率，更高频率、更长脉宽的方向发展。受限于器件的尺寸，传统结构的高功率微波源遇到了等离子体的形成以及强电场击穿的难题。带状电子束高功率微波源具有电流密度低、结构紧凑性好、输入阻抗和注入功率便于调节等优点，有望成为解决该问题的途径之一。带状电子束高功率微波源的器件结构和输出模式具有矩形大横纵比特性，为了使其产生的微波更高效地输出，需要针对性地设计应用于带状电子束高功率微波源的输出系统。论文提出并设计了一种带状电子束高功率微波源输出系统，对电子束收集、模式转换和辐射三部分内容进行了系统研究，主要内容如下：
　　1、提出并设计了一种带状电子束高功率微波源电子束收集极。利用等效特性阻抗匹配理论推导了器件结构参数与微波频率的关系，根据波导的尺寸计算出收集极的厚度；利用数值仿真验证了理论设计的准确性，分析了各参数变化对微波传输效率的影响，并对器件进行了优化设计。该收集极在收集电子束的同时保证了高功率微波源工作模式的高效传输，S21=-0.04 dB；器件的热分析结果显示在不加外部水冷装置的情况下，可以承受3 kA、电压300 kV、脉冲宽度40 ns、重复频率50Hz的电流的连续轰击带来的温升，满足器件的设计要求。
　　2、提出了一种大横纵比矩形波导 TM11-TE10模式转换器。理论分析了微波在器件中模式变换的过程，给出了器件的结构参数和仿真结果。结果表明：在工作频率12.5 GHz处，S21=-0.03 dB，在10.58~13.58 GHz范围内，S21>-0.45 dB；功率容量达到2.85 GW。仿真分析了不同横纵比条件下的器件工作特性，结果表明在横纵比较大时，模式转换器的S21更高，工作频带更宽。对器件进行了紧凑化设计，使其在对微波相位进行调整的过程中进行输出波导的阻抗变换。优化结果表明：在保证模式转换效率的同时器件轴向长度减小了22.6％，显著提高了器件的结构紧凑性。
　　3、基于波导缝隙阵列天线理论，提出了一种标准TEM-大横纵比TE10模式转换器和一种标准TEM-大横纵比TM11模式转换器，可用于高功率微波源器件的冷测，也可用于大功率微波源的输入与输出。数值仿真结果表明：两种模式转换器在工作频率12.5 GHz处S21分别达到-0.02dB和-0.04 dB，S21>-0.45 dB对应的带宽分别为11.67~13.34 GHz和11.60-13.42 GHz，满足了实验测试的需求。
　　4、完成了输出系统一体化设计。设计了端馈式和中馈式两种波导缝隙阵列天线，数值仿真结果表明：端馈式主瓣最大增益20.04 dB，E面第一旁瓣电平-1.75 dB，半功率波束宽度为13.70°；H面第一旁瓣电平0.91 dB，半功率波束宽度为10.93°；中馈式主瓣最大增益21.66 dB，E面第一旁瓣电平-2.46 dB，半功率波束宽度为22.39°；H面第一旁瓣电平-1.45 dB，半功率波束宽度为9.15°。电子束收集极与模式转换器一体化后，在压缩轴向尺寸的同时，有效提高整体散热性能，在第二章中相同电子束条件下，达到热平衡时，内导体与外波导温度最高点的温度分别下降141℃和升高了14℃。根据不同的应用背景，分别设计了横向辐射一体化方案和轴向辐射一体化方案，为带状电子束高功率微波源输出系统提供了一种可靠的技术方案。
　　5、实验设计与测试。对三种模式转换器进行了工程设计和工程加工。并完成了实验测试，实验结果为：在工作频率12.5 GHz处，TEM-大横纵比TE10模式转换器，TEM-大横纵比 TM11模式转换器和大横纵比 TM11-TE10模式转换器的S21分别为-0.23 dB，-0.43dB和-0.19dB，带宽与仿真结果保持一致。最后，完成了高功率条件下热测实验方案的设计。

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