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1、第卷第期年月电子与 信 息学 报丫回旋速调管放大器及其发展评述定性和可靠性等多方面都已取得重大突破 但是,为了获得高功率相干毫米波源以将其应用于军事领域,必须发展回旋管放大器。经 过近多年的努力,已发展出回旋行波管一、回旋速调管一和回旋行波速调管一七种主要管型。但国外已应用于实际系统的回旋管放大器几乎都是回旋速调管。回旋速调管的功率大,效率和增益高,磁场装置紧凑,也有一定带宽,而且性能比 较稳定,在高功率雷达、电子战系统及下一代直线对撞机、高梯度加速器 中都具有重要的应用 前景,因而在国际上受到特别的重视。目前美国和俄罗斯正在利用回旋速调管放大器发展特殊的军事应用。俄罗斯已利用两只峰值功率、频
2、率的回旋速调管作为发射机功率 源研制成功毫米波相控 阵雷达,距离分辨率达到,其应用目的直接针对美国的国家导弹防 御系统。而美国利用、峰值功率的回旋速调管作为发射机功率源研制成功掠海面飞行目标跟踪、探测雷达,能够有效排除低空近海面杂波干扰,识别低空飞行巡航 导弹,从而弥补 了厘米波雷达的不足,对掌握制海权具有重要意义。本文在简要介绍回旋速调管放大器的结构和工作原理的基础上,全面评述了 国际上回旋速 调管的发展状况和趋势,指出了发展中存在的一些关键问题,并提出了自己的建议。鉴于回旋 速调管放大器的重要性,以及国内目前在这方面的研究才开始起步,水平很低的现状,希望本文能对我国回旋速调管的发展起到推动
3、作用一一收到,一一改回 国家杰出青年科学基金、中国科学院支撑技术预研项目和人事部留学回国人员科技活动择优资助项目重点资助电子与信急学报卷回旋速调管放大器的结构与工作机理回旋速调管于是种快波器件属回旋管家族的员。它以电子回旋谐振受回旋速调管放大器的国内外发展状况年,在前苏联的等人和美国的等人几乎同时提出基于回旋管相互作用 的放大器建议之后,前苏联于年开始了对回旋速调管的研制工作圆,但由于保密的 缘故,没有公开发表,仅在年等人才报道了波段的回旋速调管实验获得了的连续波输出。该实验吸引人的地方在于它极高的效率,据认为是 由于它使用了低导流系数电子注,与后来使用的高电子注功率的磁控注入枪相比,其轨道与
4、轴 向速度之比要大得多。此后直到年代,俄罗斯研究人员才开始在国际会议上报道他们过去的工作。从中我们了解到,在世纪年代期间俄罗斯一直在继续和波段的回旋速调管实验。特别 是研制了的三腔回旋速调管,它能产生功率、效率、增益和 的带宽。美国的回旋管放大器研究开始于年代末,主要研究机构为海军研究实验室和瓦里安公司。瓦里安公司的等人于年发表了第一篇回旋速调管的研究报告,他们讨论了工作频率、峰值功率、效率、带宽和 占空比的两腔回旋速调管放大器的研制情况。另一个实验是工作在二次回旋谐波的波段三腔回旋速调 管。该实验获得了功率和效率的性能。两个实验都指 出,要提供稳定放大还需要更多的努力以改善回旋速调管的性能。
5、海军实验室的三腔回旋速调管在频率获得了的输出功率和的效率,同时还设计了输出功率、效率大于、增益 的回旋速调管一。这些实验进一步证实了回旋速调管作为高功率和高效率的微波毫米波器件具有诱人的前景,为以后 向更高频段的发展奠定了基础。另一项在海军研究实验室和马里兰大学的回旋速调管研究是集中在回旋速调管和常规速调管的相位稳定性上。期刘淮鳃等回旋速调管放大器及其发展评述该项研究显示,两种类型的放大器相位稳定与电子能量的关系完全不同。对于电子注能量小于,预计在回旋速调管 中相位稳定性更好此后,回旋速调管的发展主要转向更高的频率。国 内从事回旋管放大器研究的单位主要是中国科学院电子学研究所和成都 电子科技大
6、学。增益并利用这个理论计算了三腔回旋速调管的小信号增益紧接着等人又提出了在低电 场、低 电流、低值情况下谐波回旋速调管的 自洽理论,并对回旋速调管的效率进行了理论分析,。传统回旋管需要的工作磁场一般高达特斯拉以上,即使采用超导磁场,也显得体积笨重,成本昂贵,使用也不方便。我们知道,回旋管的工作磁场 由下式决定刘、。守式 中为回旋谐波数。因此,采用高次回旋谐波是减小磁场的一种有效方法。但采用高次谐波 后注波互作用效率会下降,并且可能与低次谐波模式产生严重的模式竞争问题。所以,为使高 次谐波回旋管能稳定地工作,人们进行了多方面的研究。目前主要发展出大回旋轨道电子回旋中心在波导轴上和小回旋轨道电子回
7、旋中心不在波导轴上两种方案,其中大回旋方案适合于工作在更高次回旋谐波的情况。川和即“首先对二次谐波回旋速调管进行了理论研究。一“设计的二次谐波三腔回旋速调管在频率下可获得最大输出功率,效率为,但 增益只有。等人 哪一提出了高次谐波回旋速调管的小信号理论。它采用两个腔体,从电子枪出来的 电子束通过加速器加速,在五次和六次谐波下获得了超过的增益。等人进一步发展了的理论,在工作频率、磁场、五次谐波 下获得了大于的增益。等人对二次谐波回旋速调管进行了理论分析和设计 到电子与信息学报卷利用程序对电子枪进行了设计,采用单阳极磁控式注入枪,电子束的电压为,电流为,轴 向速度零散小于采用两个同轴腔,工作模式为
8、和似,工作电子枪的质里对回旋速调管的设计有举足轻重的作用等人对用于二次谐波回旋速调管的脉宽脚、电压、电流的单阳极和双阳极形式的磁控注入枪进行了优化和设 计呻。,等人对电子枪和降压收集极提出了设计 到。电子束的横纵速度比影响着回旋速调管的输出功率、效率和增益,文献从理论上对的影响进行了分析和测试。输入系统的模式纯度和输入腔的值影响着管子的效率。文献对波段的回旋速调管输入系统通过进行了模拟。等人和,等人“分别对和回旋速调管的输入祸合器进行了研究。回旋速调管放大器的理论,与其它相对论 电子束器件一样,最基本的都是由电磁场麦克斯韦方程和相对论电子运动方程来描述。电磁场的源是电子电流和外加驱动场,而电子
9、的驱动力包括轴向静磁场和电子束产生的 电磁场。国外学者们花费了大量的时间和精力来开发可用于 电子束器件的模拟和优化设计的程序。目前,可用于 电子束器件设计的三维电磁模拟程序有著名的商业软件和。它们都可用于回旋速调管的研究和设计。而对于回旋速调管,研究人员特别开发出了回旋速调管软件和新版本的软件洲,最近它 们都已被成功地应用于波段和波段回旋速调管的设计中,“。用于毫米波雷达的回旋速调管毫米波雷达兼具微波雷达和激光雷达的优点。与厘米波雷达相比,毫米波雷达具有波束窄、分辨率高、可用频带宽、抗多径效应及抗干扰能力强、体积小和重量轻等优点它能在雨天、雾天以及战场烟雾环境下工作,与红外和光学传感器相比,其
10、全天候性能更好。近多年来,对高性能毫米波雷达 的军事需求已大大地促进了回旋管放大器的发展,并且也是回旋速调管发 展的主要推动力。这方面的研究工作主要集中在频率约为和的两个大气窗口,虽然在海军的许多应用中,信号传输是处在低海平面高度,这时由于湿度高,这些窗口已经消失。尽管如此,即使在这种情况下,具有相对窄的辐射方向图的高功率毫米波源的发展使 人们能追踪靠近海平面的目标 呻。当然,对主要工作在靠近上空的角度的机载雷达以及地基和舰基雷达,该窗口是存在的,特别是在晴天。期刘淮鳅等回旋速调管放大器及其发展评述表波段和波段的回旋速调管的研制情况,铭,一研研制单位位中心频率率工作作腔体数数峰位功率率平均功率
11、率效率率带宽宽增益益 模式式式人护护制回旋速调管的情况从表 中我们看到,俄罗斯的回旋速凋管已达到很高的功率水平。而美国海军研究 实验室最新的工作在基波的三腔回旋速调管实验也达到 了超过的功率 电平、大于的效率和大于的饱和增益 哪。实验表明,带宽以及相应的增益带宽积对外磁场的绝对值和它在 电路区的渐变是非常敏感的。一般来说,负渐变改善效率而正渐变增大增益和带宽。在这些实验中实现的最大带宽接近。此外我们也看到,由美国通讯与功率企业、海军研究实验室和 马里兰大学等单位联合研制的波段回旋速调管在峰值功率和平均功率两方面都取得了进展 叫。该管在实验中已产生峰值功率、约的效率、的瞬时带宽和的射频占空因子见
12、图。在的占空 因子下,该管已产生达的平均功率、大于的带宽和的 电子效率。作为比较,应当提及波段锅合腔行波管卿,它给出了峰值功率和平均功率、带宽和的效率,代表了以前微波管工业的发展状况。因此,在平均功率方面它常常决定着雷达的性能,波段回旋速调管超越其它的波段放大器一个多量级。作为雷达应用,带宽是回旋速调管的一个非常重要的参数。在普通速调管 中曾成功地利用参差调谐技术来展宽带宽,因而人们也开始研究将这种方法运用到回旋速调管上一叫。减小输入腔的值和利用参差调谐技术可以展宽带宽,但这要引起效率、增益和功率的下降。在早电子与信息学报卷期的研究中,等人和等人两 分别在和频率对三腔回旋速调管的末前腔调谐用于
13、加速器驱动的回旋速调管放大器 下一代高能物理加速器和认识基本粒子的下一个前沿是基于超级对撞机对于常规的直线 对撞机,其质心能量大于,因而需要频率在一、峰值功率、脉宽娜和重复频率的射频驱动源“。这种源必须是相位相干的,所以它可以是放大器或锁相振荡器回旋速调管放大器作为一种高功率、高效率的相干毫米波源,与传统管型相比其性能因 子尸尸要高两个数量级。采用回旋速调管作为射频驱动源可以大大缩小建设规模和资金投入,因此它是下一代太电子伏超高能直线对撞机驱动源的有力竞争者。目前,这方面的应用已成为 另一个促进回旋速调管迅速发展的因数。美国马里兰大学多年来一直着手这方面的研究工 作,具体情况简要列在表中。表马
14、里兰大学研制的相对论性回旋速调管,。一工工作频率工作模式式腔体数数峰值功率效率增益备注注同轴腔腔功率最大大效率最高高增益最大大,二次谐波二次谐波次谐波从表中可以看出,马里兰大学 的实验工作大都集 中在和波段的相对论性回旋速调 管,文献【中已给出 了详细评论。在其第一步的实验中使用了娜、的线期刘淮鳗等回旋速调管放大器及其发展评述性调制器,电子束 由采用热阴极的磁控注入式 电子枪产生其基波实验工作在频率。在二次谐波实验 中,第个腔保持与以前一样,但替换了漂移段和输出腔以使回旋速调管获得 的倍频输出。他们还进行了产生三次谐波输出的尝试在一次和二次谐波实验中,微回旋速调管放大器的发展趋势及 主要问题目
15、前,回旋速调管放大器已成为高功率相干毫米波源家族 中最重要的成员之一,对它的研 究正越来越受到世界各主要大国的重视但要充分发挥它的潜力,还需要克服许多重要的挑战。这些面临的挑战是 回旋速调管放大器 中需要实现高次模式工作来提高平均功率容量回旋速调管的带宽、增益和效率还有待进一步提高,可能需要一些创新的方法需要实现有效的高次谐波工作来减小所需的工作磁场有必要简化驱动级,以使整管结构变得更加紧凑虽然在毫米波段现有回旋速调管放大器的技术指标,如峰值功率电平和效率已大大超过了 传统的微波管,但其平均功率容量还不够大,频宽、功率与效率难以兼顾,使用超导磁场很不 方便,驱动源设备较复杂且不易获得。因此,今
16、后回旋速调管放大器的发展趋势主要是面向先 进的毫米波雷达和太电子伏超高能加速器应用,针对上述问题,需加强在以下几个方面的研究工作 提高峰值功率和平均功率。一类是用于毫米波雷达的宽带高平均功率回旋速调管,其峰值功率为几十千瓦至几百千瓦,平均功率几千瓦至几十千瓦另一类是用于加速器的高峰值功 率回旋速调管,其峰值功率为几兆瓦至几十兆瓦,乃至上百兆瓦由于回旋管的互作用结构是过模波导,存在许多 电磁模式,而电子束回旋波也存在许多谐 波模式,它们之 间容易发生交叉祸合,因此模式竟争问题迫使目前的回旋速调管放大器工作在以下的波导模,从而大大限制了器件的功率容量要解决这个问题,现在主要有两个办法采用由曲率半径等于其间距的一对柱形镜面构成的共焦谐振腔,它可以通过衍射抑制电子与信息学报卷寄生模式,而工作模式不受影响。美国麻省理工学院的共焦回旋振荡器实验 训已证明了这种方法的可行性。它们在工作模式下,获得了的输出功率和的效率模式扫描 证实它具有强大的寄生模抑制能力。马里兰大学的倍频体制。在其多腔回旋速调管中,输入腔工作在模且与回旋基波互作用,可避免模式竞争问题而输出腔工作在,模总的来说国外回
