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1、 分类号 TN12 学号 07079022 密级 公 开 工学博士学位论文 低磁场准单模低磁场准单模 Cerenkov 型高功率毫米波型高功率毫米波 器件研究器件研究 博士生姓名 朱 俊 学 科 专 业 电子科学与技术 研 究 方 向 高功率微波技术 指 导 教 师 舒 挺 教授 张 军 副研究员 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 论文书脊 论文书脊 A Cerenkov-type Quasi-single-mode High Power Millimeter Wave Device Operated at Low Magnetic Field C
2、andidate：Jun Zhu Supervisor：Ting Shu Jun Zhang A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Electronics Science and Technology Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China October，2011 国防科学技术大学
3、研究生院博士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i Abstractiii 第一章 绪论 1 1.1 高功率微波及高功率微波器件. 1 1.1.1 高功率微波 1 1.1.2 高功率微波器件 2 1.2 毫米波的特点及应用. 4 1.3 高功率毫米波器件的研究现状. 5 1.3.1 高功率毫米波单模器件 6 1.3.2 高功率毫米波单模超辐射器件 6 1.3.3 高功率毫米波过模器件 7 1.3.4 毫米波相对论回旋管 8 1.4 本课题的研究意义与研究内容. 9 1.4.1 研究意义 9 1.4.2 研究内容 10 第二章 过模慢波结构的特性分析 13 2.1 慢波结构的色散关系.
4、 14 2.1.1 Fourier 级数法求解色散方程 . 14 2.1.2 色散曲线 19 2.1.3 不同结构参数对色散关系的影响 21 2.2 慢波结构的耦合阻抗. 23 2.2.1 耦合阻抗 23 2.2.2 不同结构参数对耦合阻抗的影响 24 2.3 本章小结. 26 第三章 高功率毫米波发生器的物理分析. 27 3.1 器件设计的物理思想. 27 3.2 过模结构中的微波模式. 29 3.2.1 横向模式 29 3.2.2 纵向模式 31 3.3 输出腔的作用. 33 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 II 页 3.4 低磁场工作的可行性. 33 3.4.1 空间电荷极限电
5、流 34 3.4.2 磁场对束包络的约束 35 3.4.3 回旋共振吸收 36 3.5 本章小结. 37 第四章 高功率毫米波发生器的粒子模拟研究 38 4.1 粒子模拟方法. 38 4.2 基本模型与物理图像. 39 4.2.1 物理模型 39 4.2.2 粒子群聚 41 4.2.3 电流调制 41 4.2.4 微波功率与频谱 42 4.2.5 微波模式 43 4.3 结构参数对微波输出的影响. 46 4.3.1 阴阳极间距 46 4.3.2 慢波周期数目 47 4.3.3 慢波波纹深度 48 4.3.4 漂移段长度 48 4.3.5 输出腔尺寸 49 4.4 运行参数对微波输出的影响. 5
6、1 4.4.1 二极管电压 51 4.4.2 导引磁场 51 4.5 采用边缘倒圆角的慢波结构时的模拟结果. 52 4.6 永磁包装器件的初步研究. 54 4.6.1 微波器件永磁包装简介 54 4.6.2 永磁体的设计与器件的模拟 55 4.6 本章小结. 58 第五章 高功率毫米波发生器的实验研究. 59 5.1 高功率毫米波实验系统. 59 5.1.1 脉冲功率源 59 5.1.2 高功率毫米波发生器装置 60 5.1.3 脉冲螺线管磁场 61 5.1.4 测量系统 64 5.2 高功率毫米波测量系统标定. 67 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 III 页 5.2.1 频率测量
7、系统的标定 68 5.2.2 功率测量组件的标定 69 5.3 采用矩形慢波结构时的实验结果. 70 5.3.1 微波频率 70 5.3.2 微波模式及功率 71 5.3.3 参数影响分析 72 5.4 改进后的实验结果. 74 5.5 本章小结. 77 第六章 结论与展望. 78 6.1 论文工作的总结. 78 6.2 主要创新点. 79 6.3 今后工作的展望. 80 致 谢 81 作者在学期间取得的学术成果. 83 参考文献. 84 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 IV 页 表 目 录 表 1.1 窄带高功率微波器件的分类 3 表 2.1 过模矩形波纹慢波结构结构参数（单位：m
8、m） 20 表 4.1 模型主要结构参数（单位：mm） 40 表 4.2 PIC 模拟中输出口处纵向电场各模式百分含量 45 表 4.3 所选用的烧结钕铁硼磁体的主要性能参数 55 表 5.1 脉冲功率源 TORCH-01 的典型输出参数. 60 表 5.2 螺线管磁场部分参数 61 表 5.3 实验所用固定衰减器的衰减量（f=33.56GHz） 69 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 V 页 图 目 录 图 1.1 高功率微波系统结构简图 2 图 1.2 通过品质因子 Pf 2看各种微波器件的发展历史. 4 图 1.3 毫米波水平传播时的平均大气吸收特性 4 图 1.4 西北核技术研
9、究所设计的毫米波 BWO 结构. 6 图 1.5 俄罗斯学者设计的 Ka 波段超辐射相对论返波管 . 7 图 1.6 中国工程物理研究院设计的高功率窄脉冲 8 毫米返波管 7 图 1.7 Bugaev 等人的多波切伦科夫振荡器结构示意图. 8 图 1.8 电子科技大学毫米波绕射辐射振荡器示意图 8 图 1.9 美国海军实验室 35GHz 相对论回旋管示意图. 9 图 1.10 低磁场 Cerenkov 型高功率毫米波发生器结构示意图. 11 图 2.1 几种不同边界形状的慢波结构 13 图 2.2 圆柱轴对称周期性慢波系统示意图 14 图 2.3 几种常见的周期性慢波系统 Fourier 级数
10、拟合示意图 16 图 2.4 周期性矩形波纹慢波结构示意图 20 图 2.5 周期性矩形波纹慢波结构本征模色散曲线 21 图 2.6 TM01模的理论计算结果与 SuperFish 计算结果的比较. 21 图 2.7 不同半径的 TM01模色散曲线 22 图 2.8 不同波纹深度的 TM01模色散曲线 22 图 2.9 不同盘片间距 TM01模色散曲线 22 图 2.10 不同周期长度的 TM01模色散曲线 22 图 2.11 边缘倒圆角周期性矩形波纹慢波结构示意图 23 图 2.12 边缘倒圆角（r0=0.4mm）周期性矩形波纹慢波结构本征模色散曲线 23 图2.13 矩形波纹慢波结构与边缘
11、倒不同半径圆角的矩形慢波结构TM01模色散曲 线比较 23 图 2.14 慢波波纹深度 h 对-1 次谐波归一化耦合阻抗的影响 25 图 2.15 盘片间隙 d 对-1 次谐波归一化耦合阻抗的影响 25 图 2.16 慢波波纹深度 h 对 0 次谐波归一化耦合阻抗的影响 25 图 2.17 盘片间隙 d 对 0 次谐波归一化耦合阻抗的影响 25 图 2.18 慢波波纹深度 h 对+1 次谐波归一化耦合阻抗的影响. 25 图 2.19 盘片间隙 d 对+1 次谐波归一化耦合阻抗的影响. 25 图 3.1 过模慢波结构高功率毫米波发生器原理框图 28 图 3.2 过模慢波结构高功率毫米波发生器结构
12、示意图 28 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VI 页 图 3.3 TM01模模电场结构. 30 图 3.4 TM01模模电场径向分布图. 30 图 3.5 TM02模模电场结构. 30 图 3.6 TM02模模电场径向分布图. 30 图 3.7 TM03模模电场结构. 31 图 3.8 TM03模模电场径向分布图. 31 图 3.9 过模慢波结构计算模型 32 图 3.10 功率传输系数与频率的关系 32 图 3.11 f=22.5GHz 时的电场分布. 32 图 3.12 13 周期慢波结构有无输出腔的 TM01模纵向谐振特性. 33 图 3.13 空心波导中超过空间极限流时形成
13、虚阴极的电子相空间图（I=25kA） 35 图 4.1 低磁场高功率毫米波发生器结构示意图 40 图 4.2 群聚后电子束实空间分布图(t=28ns). 41 图 4.3 群聚后电子束相空间分布图(t=28ns). 41 图 4.4 电子束被调制前电流轴向分布(t=5ns). 42 图 4.5 充分调制的束电流轴向分布(t=28ns). 42 图 4.6 产生微波功率沿纵向变化情况（t=28ns）. 42 图 4.7 输出口处微波功率随时间变化图 42 图 4.8 输出口处微波纵向电场随时间变化图 43 图 4.9 输出口处微波电场的频率 43 图 4.10 器件内射频电场的结构 44 图 4
14、.11 第二段慢波结构处 Ez沿径向分布及其与冷腔 TM01- 模的比较. 44 图 4.12 输出口处 Ez沿径向分布及其与冷腔光滑波导 TM01模的比较. 45 图 4.13 圆波导中归一化的 TM0n模 Ez电场分量沿径向分布. 45 图 4.14 PIC 模拟与基本模式拟合的 Ez电场分量沿径向分布的比较 45 图 4.15 功率效率与阴阳极间隙的关系 46 图 4.16 微波频率与阴阳极间隙的关系 46 图 4.17 功率效率与第一段慢波结构周期数的关系 47 图 4.18 微波频率与第一段慢波结构周期数的关系 47 图 4.19 功率效率与第二段慢波结构周期数的关系 47 图 4.
15、20 微波频率与第二段慢波结构周期数的关系 47 图 4.21 功率效率与慢波波纹深度的关系 48 图 4.22 微波频率与慢波波纹深度的关系 48 图 4.23 功率效率与漂移段长度的关系 49 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VII 页 图 4.24 微波频率与漂移段长度的关系 49 图 4.25 无输出腔结构示意图 49 图 4.26 无输出腔结构输出口处微波功率随时间变化图 50 图 4.27 无输出腔结构输出口处微波电场的频谱 50 图 4.28 功率效率及频率与输出腔长度的关系 50 图 4.29 微波频率及频率与输出腔长度的关系 50 图 4.30 功率效率与输出腔半径
16、的关系 50 图 4.31 微波频率与输出腔半径的关系 50 图 4.32 功率效率与二极管电压的关系 51 图 4.33 微波频率与二极管电压的关系 51 图 4.34 功率效率与导引磁场强度的关系 52 图 4.35 矩形慢波结构表面附近电场强度分布 52 图 4.36 两种慢波结构的 TM01模 模场结构比较 53 图 4.37 采用边缘倒圆角的矩形慢波结构的器件结构示意图 53 图 4.38 边缘倒圆角的矩形慢波结构表面附近电场分布 53 图 4.39 采用边缘倒圆角的矩形慢波结构的器件输出功率随时间变化图 54 图 4.40 采用边缘倒圆角的矩形慢波结构的器件输出口处电场的频谱 54 图 4.41 采用单块磁体时器件结构示意图 56 图 4.42 采用单块磁体时器件内轴向磁场分布 56 图 4.43 采用单块磁体时电子束，粒子的在实空间的运动图像 56 图 4.44 采用两块磁体时器件结构示意图 57 图 4.45 采用两块磁体时
