应用物理毕业论文综述.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流应用物理毕业论文综述.精品文档.双间隙圆柱同轴封闭谐振腔等效电路分析法目 录中文摘要··························································英文摘要··························································第一章：绪论························································11.1 引言························································11.2速调管的发展史及国内外发展现状及展望························11.1.1速调管的发展史 ·········································11.1.2速调管国内外发展现状及展望······························21.3 速调管的结构与工作原理······································51.4 本论文的研究意义············································8第一章 绪 论1.1 引言速调管是由美国莱塞尔(Russen)和瑟戈德·瓦里安(sigurdvarian)兄弟俩于1939发明的1，它是为了克服普通电子管当频率升高时电子渡越时间效应带来的影响而提出的。在军事和民用上都有广泛的应用。进入70年代以后，随着半导体技术的迅猛发展,半导体电子器件已逐步替代了小功率的真空电子器件,但由于输出功率的局限性,晶体管始终无法取代大功率的真空电子管，尤其在微波波段,真空微波管具有大功率、高增益、宽频带、耐高温、抗辐射等明显优点,因此仍然是导航、制导、雷达、电子对抗和定向能武器等军用装备的关键部件,从而被称为现代信息装备的心脏。其次，在电视转播、卫星通信、遥感、粒子加速器、微波治疗仪和工业加热等方面,真空微波管也是必不可少的电子器件,其需求量不仅没有减少,而且还逐年增加。简要列出了国内外多注速调管的发展现状、速调管的基本结构和工作原理。阐述了本论文的意义、创新点和主要内容。分析了用于多注速调管或加速器的微波圆柱和同轴腔各阶横磁模式的特性。1.2速调管的发展史及国内外发展现状及展望1.1.1 速调管的发展史速调管是30年代发展起来的一种大功率高频微波振荡器或放大器2，它的基本工作原理是:首先在输入腔中输入较弱的高频微波调制信号对直流电子注进行速度调制，然后让电子注通过一段自由漂移路程(漂移管)，使速度调制转变为电子注的密度调制，这一过程称为电子注的群聚;当电子注进入第二腔时，群聚电子注将会在第二腔的间隙中产生高频感应电流(拉姆方程)，其中的基波分量激励起了第二腔的谐振，结果在第二腔的间隙处产生较强的高频纵向电压，该高频间隙电压又对电子注进行第二次速度调制，然后电子注再通过一段漂移管将速度调制转变为密度调制，使电子注群聚得更加紧密;经过反复多次的速度调制和群聚过程，最后己高度群聚的电子注进入输出腔时，在输出腔间隙中感应出很强的高频感应电流，其中的基波分量激励输出腔产生很强烈的谐振，结果在输出腔的间隙处产生很强的高频纵向电压，该高频间隙电压使电子注大幅减速，并通过与输出传输线祸合将高频微波传输到负载，从而达到把电子注的直流能量转变为高频微波能量的目的。实用型多注速调管是由前苏联的S. Koroljev 等在20世纪60年代发展的。其中Istok是最早研制出实用型多注速调管的单位。他们采用工作在基模的重入式谐振腔作为高频互作用电路。多个电子注的总导流系数Per(I0/V0)3/2可升高至515P，但其中每个电子注的导流系数很小，使之易于聚焦和群聚。导致速调管的工作电压大为降低，容易实现宽频带条件下的高效率和高增益；又因为其高频互作用长度短，易实现周期反转永磁聚焦结构，使整管的体积和重量大为减小。1.1.2 速调管国内外发展现状及展望目前研制多注速调管的主要单位有中国科学院电子学研究所(IECAS), 北京真空电子技术研究所(BVEl)、俄罗斯的Istok、Toriy和Svetlana、法国的Thales电子管公司(TTE)、美国的CPI公司、斯坦福加速器中心(SLAC)、日本的东芝公司和日本高能物理所(KEK)等。中科院电子所与北京真空电子所从90年代初相继开始研制各类多注速调管。中科院电子所于94年研制成功S波段多注速调管。使中国成为世界上第二个拥有多注速调管研制技术的国家。IECAS研制的L、S和C波段的宽带多注速调管，峰值功率范围100200 kW，平均功率310 kW，相对带宽8%12%，电子束电压16 19 kV，包括聚焦系统的总重量3070 kg，整管的长度600900 mm。谐振腔采用具有高特性阻抗的基模工作。其中某型号的S波段18注速调管包含5个群聚腔和一个工作在模的滤波器加载双间隙输出腔，总导流系数10.5P，栅控电子枪电压16 kV，偏置电压 6kV，M型浸渍阴极的电流发射密度13 15 A/cm2，其工作寿命超过1000小时，周期聚焦系统是6个温度系数很低的NdFeB永磁环，系统总重量10.1kg，管体和收集极以高速液体冷却。表给出了中科院电子所研制的多注速调管的性能。其S波段多注宽带速调管KS-60采用18个电子注，周期反转永磁聚焦，宽带输出段为工作在模的滤波器加载双间隙耦合腔。管子重量仅为45kg，长度750mm。IECAS正在研制的L、S、C和X波段多注速调管，其脉冲功率75600 kW，设计平均功率410kW，带宽5%11%。表1.2.1 中科院电子所多注速调管的性能波段/ 脉冲功率/ 平均功率/ 相对带宽/ 增益 效率/ 注电压/ 重量/ kW kW MHz dB kV kgS 200 4 8 4345 3545 1820 48S 200 79 7 4345 3545 1820 43S 150 8 8 4345 3545 1719 45S 120 8 8 4345 3545 1618 45C 50 2.5 2 45 3035 1718 35C 200 10 5 4143 3035 2123 30C 120 8 7 4045 3035 1618 35L 200 4 11 4345 3540 1820 70中国电子科技集团公司第12所研制的C波段多注速调管，脉冲功率在75200KW，平均输出功率210kW，增益43dB；效率2533，工作电压1923kV。其谐振腔全部工作在高次模状态，有效地降低了阴极负荷与工作电压。他们研制的C波段200kW多注速调管，采用TM220高次模，有4组共28个电子注，周期反转永磁聚焦，输出段为3节滤波器双间隙耦合腔。其脉冲功率大于200kW，平均功率大于10kW，带宽310MHz，带内最大效率31%。法国Thales电子管公司(TTE)发展的高功率高效率L波段多注速调管3，采用 7个电子注，6腔结构，脉冲功率为10MW，平均功率为150kW，脉宽为500s，电子注电压为115kV，注电流为133A，效率高达65%，增益为47dB，带宽为16MHz。管采用电磁聚焦，直流通过率达99%，高频通过率达98%。TTE公司还发展了S波段1MW宽带多注速调管。美国SLAC发展的组合式高功率多注速调管，采用10个子速调管的组合和PPM聚焦方式，在1.5GHz频率上，获得2GW的峰值功率。在高频系统中采用高阶模式的主要优点是可以同时实现高频率和高功率。同轴腔高阶模式的理论(与技术)比圆柱腔基模的情形复杂。虽然本文系统地研究了微波圆柱和同轴谐振腔的多种特性，但对于带有漂移管的复杂腔体结构，目前从理论上分析其内各种模式的场分布还有一定的困难。主要是由计算的空腔参数出发，结合软件模拟进行分析。为研究输出同轴腔各阶模式与端接波导基模耦合而输出微波能量的过程，需要分析耦合孔的位置、形状、尺寸和数目对许多相关系列参数的影响。但是目前还无理想的解析的方法，主要靠3D软件进行大量的模拟和比较，以寻求在某限定参数范围内的一些规律。这必然需要庞大的工作量和计算模拟时间。理论计算揭示了微波圆柱和同轴腔各阶横磁模式的一些特点：对于圆柱腔，其在低频段或较低阶模的模式间隔较大。低频段低阶模可对应较大半径的腔体，而在高频段欲采用低阶模式, 就必须选用半径很小的腔体。这就限制了功率的提升。而对于同轴腔的高阶模式，其高频段也可对应较大的腔体，这利于提高功率；在给定的频率下，同轴腔体的横截面尺寸与TMn10模式的阶数几乎可以自由选择。这为扩大其应用范围提供了理论依据。理论计算了微波圆柱和同轴谐振腔内Ezm的位置半径、该位置处的特性阻抗及其对应的谐振频率。发现谐振腔内引入带间隙的金属漂移管后，其谐振频率下降的相对值随着漂移管总体积与空腔体积之比的增大而增大。利用编程计算的同轴腔体结构和ISFEL 3D软件模拟的电场分布值，以基本电路理论计算了带有单间隙漂移管同轴腔高阶TM310模式的复数间隙阻抗，与国外的某些同类结构模型相比，提升了间隙阻抗实部和带宽。在高频系统中采用高阶模式的主要优点是可以同时实现高频率和高功率。同轴腔高阶模式的理论(与技术)比圆柱腔基模的情形复杂。虽然本文系统地研究了微波圆柱和同轴谐振腔的多种特性，但对于带有漂移管的复杂腔体结构，目前从理论上分析其内各种模式的场分布还有一定的困难。主要是由计算的空腔参数出发，结合软件模拟进行分析。为研究输出同轴腔各阶模式与端接波导基模耦合而输出微波能量的过程，需要分析耦合孔的位置、形状、尺寸和数目对许多相关系列参数的影响。但是目前还无理想的解析的方法，主要靠3D软件进行大量的模拟和比较，以寻求在某限定参数范围内的一些规律。这必然需要庞大的工作量和计算模拟时间。今后需进一步考虑的问题有：微波同轴空腔高阶TMn10模式外Q值的精确理论分析，包括耦合孔尺寸和形状对于腔内模式、场分布及相关系列参数的影响；研究多间隙同轴谐振腔高阶模式以及加载滤波器结构的特性参数。高阶工作模式的电子注与中心轴线距离大，需要设计具有均匀的轴向磁场值及微小横向磁场分量的离轴聚焦系统；解决一系列复杂的工艺问题。多注速调管和加速器谐振腔的高阶模式是比较新的问题，其研究方兴未艾。她那高频率、高效率和高功率的独特优点与美正吸引着世界上许多发达国家的研究机构进行研究。1.3 速调管的结构与工作原理速调管是一种能把直流电源能量转化为电子注的能量、再将电子注的能量转化为微波能量的电真空器件。它利用电子的渡越时间效应，以对电子的速度调制并转为密度调制为基本原理，将微弱的微波信号放大成高能量的微波信号。速调管的整个结构原理如图1.3.1所示。它基本上分为三大部分：第一部分是能够产生电子注并可承受高压的电子枪。第二部分是高频系统。包括输入系统、将电子注能量转化成高频能量的谐振腔、漂移管、输出波导和能够传输全部高频能量而基本不反射的输出窗。还有为保持电子注不发散的聚焦系统。第三部分是使电子注剩余能量转化成热能的收集极、冷却系统、频率调谐系统和保持器件工作在真空状态的离子泵。单注速调管与多注速调管的工作原理相同，基本工作原理是:首先在输入腔中输入较弱的高频微波调制信号对直流电子注进行速度调制，然后让电子注通过一段自由漂移路程(漂移管)，使速度调制转变为电子注的密度调制，这一过程称为电子注的群聚；当电子注进入第二腔时，群聚电子注将会在第二腔的间隙中产生高频感应电流(拉姆方程)，其中的基波分量激励起了第二腔的谐振，结果在第二腔的间隙处产生较强的高频纵向电压，该高频间隙电压又对电子注进行第二次速度调制，然后电子注再通过一段漂移管将速度调制转变为密度调制，使电子注群聚得更加紧密;经过反复多次的速度调制和群聚过程，最后己高度群聚的电子注进入输出腔时，在输出腔间隙中感应出很强的高频感应电流，其中的基波分量激励输出腔产生很强烈的谐振，结果在输出腔的间隙处产生很强的高频纵向电压，该高频间隙电压使电子注大幅减速，并通过与输出传输线耦合将高频微波传输到负载，从而达到把电子注的直流能量转变为高频微波能量的目的。高阶工作模式适合于对功率的要求强于对信号频宽要求的情形。采用高阶模式工作可以增大腔体尺寸，从而可提高功率能力和减轻阴极负荷, 降低管子的工作电压，获得高的脉冲和平均输出功率。谐振腔内高阶模式的电场强度峰值尖锐，有利于增强驻波的相互作用。高阶模式通常采用两种腔体和模式：同轴腔的TMn10模式和圆柱腔的TM0n0模式。采用圆柱腔的TM0n0模式的优点是电子注的数目选择较为随意，缺点是电场主要集中于腔体中心。阶数n增大时，对应的特性阻抗急剧下降，而且相邻模式的间隔太小，易导致非工作模式的竞争。如果用同轴谐振腔的TMn10模式，模式的阶数可以根据电子注的数目N来选取（N2n）。这种腔体与模式的优点是各个电子注相隔较远，并且各模式间隔也较大，工作性能较为稳定。但其理论分析和模拟都较为复杂多注速调管输出效率和频宽的乘积取决于电子束导流系数的总和。而耦合系数与特性阻抗将随着电子注数目的增加而降低，但降低的速度较慢。因此，尽管多注速调管的效率带宽乘积比单注速调管要大，其特性阻抗及其均匀度比单注速调管的略差，但多注中的每个电子注导流系数较小对整管效率的提高足以袮补这一缺点。多注速调管的上述特点使它成为一种低工作电压、紧凑型的大功率宽频带微波放大器和宽带大功率微波系统发射机末级功率放大器最有竞争力的器件之一。它特别适用于脉冲功率几十千瓦至几百千瓦、平均功率几千瓦至几十千瓦、带宽510的大功率宽频带微波电子系统。图1 同轴腔高次模速调管轴向剖面图图 3 串联同轴腔与输入输出波导的耦合及其剖面图1.4 本论文的研究意义耦合双间隙输出腔具有较高的特性阻抗，采用耦合双间隙输出腔可以提高速调管效率带宽乘积、扩展宽带速调管输出回路带宽的有效措施。而且，耦合双间隙输出腔能承受较高的输出功率，在其它条件相同的情况下，耦合双间隙输出腔所能承受的最高峰值功率接近单间隙输出腔的两倍，因此在高频段有广泛的应用4-6。为了增强与调控电子注与谐振腔内驻波电场的相互作用，通常在谐振腔内纵向电场的极大值处引入供电子注流通的、细小的和带间隙的纵向金属漂移管，模拟表明，这种小的扰动几乎不改腔体内电磁场的模式。故空腔内模式的理论分析结果和规律对于带金属漂移管谐振腔的设计具有指导意义。未来的多注速调管将会向更高的峰值功率、连续波功率和更大的效率带宽乘积方向发展，并继续拓广其工作频段。目前其脉冲功率在100MW量级，平均功率在10kW量级。若将平均功率(或连续波功率)提高到100kW量级，并且保持宽频带、高效率和高增益，就必须研制具有高的直流通过率和高频通过率的电子光学系统，解决电子注的发散以及输出系统和收集极的热耗散问题。发展高发射电流密度、长寿命的覆膜和合金型浸渍阴极以及可承受高功率的高频输出窗。其中，采用高次模和组合式多注速调管是提高脉冲功率的重要途径。发展高平均功率或连续波宽带多注速调管, 可将其平均功率(或连续波功率)提高到20100kW量级。发展宽频带雷达系统使用的紧凑型中功率宽频带多注速调管，其峰值功率从几十kW到几百kW，平均功率几kW至十几kW，带宽5%15%。发展特高功率微波源(GW级)以及应用于新一代超高能加速器用高频率、高脉冲功率多注速调管。在X波段，发展峰值功率大于100MW的超高功率速调管以及可用于核聚变等离子体加热装置的高频率和高平均功率速调管。为满足现代通信工程、导航、雷达和电子对抗、机载、空间定位和移动目标控制等领域的需要，必须拓展多注速调管的工作带宽。重点发展滤波器加载重叠模双间隙与三间隙漂移管耦合腔的分布式作用速调管，使其瞬时工作带宽可达10%15%。特别是在短波的厘米波段，采用双间隙同轴腔和对腔结构是扩展群聚带宽的主要途径。采用滤波器加载重叠模双间隙耦合腔或采用滤波器加载三间隙耦合腔输出电路、利用过群聚、二次谐波群聚等可扩展输出带宽。光子带隙理论够实现大的模式间隔，它为真空电子器件带来了新的希望。发展具有弱空间电荷效应的带状电子注速调管（Sheet-beam klystrons），以提高效率。例如，SLAC设计的X波段PPM型带状注五腔速调管，平均功率80kW；峰值功率150MW；电压450kV；电流640A；效率52；增益68dB。另外，可采用重叠模和多间隙谐振腔结构，以提高功率。发展可用于三维成像、全天候通信、探伤和雷达多光谱成像等极具诱惑力的THz（纳米）速调管。其设计加速电压小于100V，故无需聚焦磁场。日本已将其列为2015年之前重点发展的十大技术之一。参考文献1 王宏文 适合于多注速调管的TM高次模双间隙腔的研究 2008N6 P12 林福民,大功率宽带多注速调管输出段的研究 2003N6 P13 董玉和微波圆柱和同轴腔高阶横磁模式及其输出耦合 2006N2 P6-94 丁耀根,多注速调管技术的新进展,真空电子技术2002N05 P8-155 丁耀根,阮存军,沈斌,张永清,曹静X波段同轴腔多注速调管的研究2006N3 P3-4 6 廖复疆，真空电子技术，国防工业出版社，2008年第二版，P27 7丁耀根 朱允淑 多注速调管高次模谐振腔的研究1995年11月 p.7780 8 董玉和 丁耀根 肖刘 同轴微波谐振腔高阶横磁模式的分析 物理学报 54卷2005年12月 p.562956369丁耀根 钮得录 陆孝厚 等 S波段2.5MW宽频带大功率速调管的研制 电子科学学刊 1985年7月 p.24725310丁耀根 多注速调管电子光学系统的研究 电子科学学刊 2000.05 p.489491