关于Ka波段器件的调研(一)3-12

调研小结（一）Ka波段频率范围为27GHz-40GHz[1]，对于研究器件的设计频段取在35GHz左右，此处为大气窗口[2]。图1为毫米波在大气中传播时，氧分子及水蒸气等对微波的吸收。图1毫米波水平传播时的平均大气吸收特性毫米波器件由于尺寸小，其功率容量是要解决的问题之一，解决途径是采用（1）过模结构[2,3]，过模结构可有效降低电流密度及空间电荷效应，单模器件/1.76D；（2）增加调制腔[4-8]。为增加器件的效率，可以引入谐振腔[7]，加载等离子体等。在微波提取时，可以采用双腔结构提取[6,9]，漂移段加双间隙谐振腔可以提高微波功率。一、过模结构的器件1[2].1983年，S.P.Bugaev等人首先提出了多波切伦柯夫振荡器。其中慢波结构直径D=8.4cm，慢波结构采用半圆形波纹，周期L=1.4cm，第一、二段慢波结构及漂移段分别长13L、10L和7L；环形阴极半径Rb=3cm、厚度Δ=0.2cm；产生微波波长λ=3.15cm，其D/λ≈2.67。当二极管电压U=2MV，电流I=15kA，导引磁场B=4T时，该器件在X波段获得了峰值功率为15GW的微波输出，微波转换效率高达50％。2.1998年，舒挺博士。慢波结构直径D=8.4cm，采用半圆形波纹，周期L=1.3cm，第一、二段慢波结构及漂移管分别长12L、16L和6L；环形阴极半径Rb=3.1cm、电子束厚度Δ≈1mm；产生微波波长λ=3.03cm，其D/λ≈2.77。当二极管电压U=436kV，电流I=2.1kA，导引磁场B=0.98T时，获得了频率为9.9GHz，峰值功率为170MW的微波输出。3.2004年，张军博士研究了一种新型X波段过模慢波高功率微波发生器，它具有低磁场、高功率、高效率、结构紧凑等优点。该器件主要由环形阴极、漂移段及其隔开的两段过模慢波结构、谐振腔及锥形波导组成。当导引磁场为0.55T、二极管电压为470kV时，实验获得峰值功率487MW、频率9.54GHz、带宽小于50MHz、主模TM01、脉宽28ns的高功率微波输出，其功率效率为21.1%、相对带宽为0.5%；当导引磁场为0.70T、二极管电压为577kV时获得功率为1.22GW、频率为9.56GHz、主模为TM01的微波输出，功率效率为24.3%。图3新型X波段过模慢波高功率微波发生器结构示意图4.2011年，朱俊博士。在0.80T导引磁场下，电压590kV、电流5.2kA时，获得了频率为33.56GHz、功率为320MW、脉宽约13ns、辐射主模为TM01模的高功率毫米波，功率效率约10%。图4低磁场准单模Cerenkov型高功率毫米波器件结构示意图二、加入谐振腔的器件1.2002年，杨建华博士利用一个谐振腔将切伦柯夫型的振荡器与锥形结构慢波放大器有机地结合在一起，设计了一个振荡——放大一体化的高效率微波源，即低磁场谐振腔切伦柯夫振荡器－锥形放大器（RCO－TAT）。第一段慢波结构的作用模式是在π模附近的一个分立模，通过第一段慢波结构与谐振腔形成的振荡器对环形电子束进行充分的调制和群聚，一方面激励起高功率微波，同时也使快速电子与慢速电子分离；在渐变段通过相速提高的波与快速电子继续束波作用，将快速电子群的能量提取出来，提高转换效率。这样两段慢波结构有功能上的分工，利于微波的产生和提取。在600kV，7kA，峰值磁场0.6T条件下进行了实验，获得了大于1GW的X波段微波功率，主模为TM01模，实验与模拟结果吻合得较好。图5谐振腔切伦科夫振荡器－锥形放大器结构示意图2.2009，肖仁珍。粒子模拟结果，加调制腔和提取腔结构的BWO-RR效率从34%提高到46%。2010年实验得到，导引磁场2.2T，电压1.1MV，电流16.4kA，得到6.5GW，4.26GHz微波，效率36%。电压820kV，效率47%，功率4.4GW。图6与BWO-RR对比2012年，加入了双间隙提取腔。粒子模拟结果，导引磁场0.48T，电压400kV，电流12kA，得到功率2GW，12.3GHz微波。效率42%。图7过模类速调管型RBWO结构示意图3.2013年，张华博士。Ku波段过模契伦科夫振荡器，模拟结果如下：导引磁场在0.6T下，电压540kV，电流5.8kA，微波功率1.2GW，13.8GHz，效率38%，其中95%以上是TM01模式。图8过模Cerenkov振荡器三、同轴结构1[7].2000年，刘国治研究员。粒子模拟结果表明在二极管电压750kV，电流5.6kA下，可得到1.59GW的功率，频率7.4GHz，效率超过37%。图9同轴慢波结构相对论高功率微波器件示意图2[7].2007年，肖仁珍博士。实验获得了980MW，频率7.2GHz的辐射微波输出。图10同轴慢波结构相对论切伦柯夫发生器示意图慢波结构器件的优势如下：束波转换效率高，频谱特性好，工作稳定，作用机理简单[2]。产生慢波结构一般采用周期结构的金属器件，原因是金属较介质、等离子体更抗损伤、更稳定。慢波结构器件有BWO（0gV）、TWT（0gV）、MWCG、MWDG（各段慢波结构不同，如第一段BWO，第二段3/2的RDG）、RDG（0gV）等[10]。同轴结构有更强的空间限制电流，并且可以实现低阻抗[11]。思考：能否将过摸、谐振腔、漂移段及双间隙提取腔结合？等离子体加载如何利用？介质、等离子体类型的慢波结构能否使用？参考文献：[1]顾茂章，张克潜等.《微波技术》.[2]朱俊硕士论文.《毫米波低磁场慢波结构高功率微波发生器研究》.2006.[3]朱俊博士论文.《低磁场准单模Cerenkov型高功率毫米波器件研究》.2011.[4]肖仁珍.《Efficiencyenhancementofahighpowermicrowavegeneratorbasedonarelativisticbackwardwaveoscillatorwitharesonantreflector》.2009.[5]肖仁珍.《Efficientgenerationofmulti-gigawattpowerbyaklystron-likerelativisticbackwardwaveoscillator》.2010.[6]肖仁珍.《Ahigh-efficiencyovermodedklystron-likerelativisticbackwardwaveoscillatorwithlowguidingmagneticfield》.2012.[7]肖仁珍博士论文.《同轴慢波结构相对论切伦柯夫发生器研究》.2007.[8]张华.《SimulationofagigawattlevelKu-bandTM01overmodedCerenkovtypeoscillatoroperatedatlowguidingmagneticfield》.2013.[9]贺老师博士论文.《新型渡越时间振荡器的研究》.2004.[10]JamesBenford等著,江伟华译.《高功率微波》.P259.[11]曹亦兵硕士论文.《低阻无箔渡越辐射振荡器的研究》.2008.