8mm高功率回旋速调管技术研究技术总结报告一、概述1.1军事需求分析在当今高科技战争，包括高科技局部战争中，如何有效地探测和识别敌方来袭的各 种空间目标、指挥引导我方武器系统摧毁敌方目标，是嬴得胜利的重要手段，也是美、 俄等军事强国竞相发展的军备技术其中，高功率特别是高平均功率（高能）毫米波雷 达，其波束窄、测量精度与分辨率髙、抗干扰能力强，具有测量复杂结构、探测、跟踪 识别多批量小目标及空间碎片的能力，在军事上具有重要作用要发展髙功率毫米波雷 达，首先急需要发展高功率毫米波源这个关键器件普通微波管由于机理的研制，在毫米波波段零件尺寸太小、加工难度大、阴极发射 密度有限、散热困难等因素，使它难于作到高功率，特别难于达到髙平均功率、高能量 工作回旋管是以相对论质量效应为基础的新型毫米波、亚毫米波高功率器件，器件内 部尺寸相对来说可以做得较大，适合于毫米波段工作，现在已发展成为一个多品种的大 家族，其中回旋速调管具有高峰值功率、高平均功率、高增益、高效率，适当带宽等优 点，很适合作毫米波高性能雷达、相控阵雷达及其它军用系统的功率源长期以来，国 内苦于没有高功率毫米波源，使我国不能发展高性能毫米波雷达、电子战等军用装备。
高功率毫米波回旋速调管放大器的研制正是为了解决这一重大关键器件，使我国开发一 大批军用毫米波装备的愿望成为现实1. 2国内外研究现状1. 国际发展状况鉴于回旋速调管在发展高功率毫米波雷达等军事装备上的关键作用，美苏等国相继 投入了大量的研究力量进行开发研究回旋速调管是原苏联科学家所发明并首先得到发 展的，原苏联与现俄罗斯投入巨大力量研制大气窗口的8mm与3mm波段使用超导磁场的 高功率回旋速调管，并取得重大进展俄罗斯科学院应用物理研究所（IAP）与Toriy 等工业联合体研制与生产了 一批高水平的回旋速调管，研制的主要成果列于表lo其中一支8mm波段二腔回旋速调管，峰值功率达750KW.平均功率5KW、增益20dB、 带宽0.6%、效率24%俄国研制的另一支8mni管（三腔），峰值功率为250KW、平均功 率1.2KW、增益高达40dB、相对带宽1.4%、效率35%俄国在3mm波段的4腔回旋速 调管峰值功率为65KW、平均功率2.5KW、35dES饱和增益、效率26%、带宽300MIIzo表1研究单位模式腔数峰值功率（KW）平均功率（KW）(GHz)Gain(dB)带宽效率%俄罗斯IAP.ToriyTEOp四腔652.59435300MHz26IAP.ToriyTE（）2,二腔750535200.6%24IAP.ToriyTEoi，三腔2501.235401.4%35IAPTE2,二腔120/93.218/23.5俄罗斯的回旋速调管有的已开始进入实用化，若干年前，俄罗斯已利用回旋速调管 放大器作军用与气象雷达，在8nmi波段，用2支平均功率5KW的回旋速调管研制成功了 8伽波段远程相控阵雷达。
鉴于俄罗斯在回旋速调管及相应雷达方面所取得的巨大成就 及在军事应用方面的巨大应用前景，美国人近年来紧随其后，从1995年开始，投入大 量人力物力，集中发展8mm、3mm波段，特别是3mm波段回旋速调管及相应雷达系统， 在美国军方支持下，雷达系统与回旋速调管研制齐头并进由美国海军实验室电子科学 与技术部的真空电子学分部（Vacuum Electronics Branch）领头，CPI （原瓦里安公司）, Litton公司与马里兰大学参加，从1995年开始共同研制W波段高平均功率回旋速调管, 现已取得惊人进展，1999年已研制出工作比11%、平均功率10.1KW、带宽420MIIz的 3mm波段回旋速调管他们第一步目标是带宽600MHz,最终目标是将带宽提到1 —2GH肌 要达到这样的带宽，利用一般典型结构是很困难的，于是提出回旋行波速调管方案，即 将多腔回旋速调管的最后一个互作用腔（输出腔）用行波段代替，以增加带宽，美国科 学家已在低工作比下进行了实验研究并取得了进展，美国回旋速调管及回旋行波速调管 研制情况见表2表2参量频率模式峰值功率平均功率带宽驱动功率设计值94GHzTEoi80KW10KW600MHz40W回旋速调管已达 到值94GHzTEoi92KW10.1KW420MHz53W回旋行波 速调管已达到值94GHzTE0150KW925MHz50W从国际发展情况看来，回旋管家族中，最早能用于高功率毫米波军用雷达，包括高 功率毫米波相控阵雷达的品种是毫米波回旋速调管，而这个品种的特性参量如峰值与平 均功率、增益、效率等参量均发展到相当高的水平。
因而各军事强国在该研究领域投入 的资金及技术力量不断增加，国际上所研制的回旋速调管均使用超导磁场目前国际上 回旋速调管研究的主要方向是提高平均功率、增加带宽以及采用高次谐波降低工作磁 场，实现永磁包装2. 国内发展状况国内从70年代末期一直不间断全面坚持回旋管研究的单位是电子科技大学科学 院电子所、电子部12所也先后研制过回旋振荡管，而回旋速调管的研究工作在国内尚 属空白近年来，电子科技大学除研究高次谐波低磁场回旋振荡管，包括永磁包装回旋 管外，还开展了 “934”对俄引进大功率毫米波回旋速调管放大器工作，与此同时还开 展了回旋速调管及回旋行波速调管的研究工作及国际技术交流与合作，取得了长足的进 展，为发展回旋速调管研究工作打下坚实基础目前本项目已圆满地完成“十•五”预研任务，研制出性能好的8nmi回旋速调管1.3研究目的、研究目标、研究内容研究目的高功率特别是高平均功率（高能）毫米波雷达，其波束窄、测量精度与分辨率高、 抗干扰能力强，具有测量复杂结构、探测、跟踪识别多批量小目标及空间碎片的能力， 在军事上具有重要作用要发展髙功率毫米波雷达，首先急需要发展高功率毫米波源这 个关键器件本项目的研究目的就是解决8伽高功率毫米波源这一关键问题。
研究目标针对军用高功率毫米波雷达的要求，对毫米波回旋速调管进行研究，研究各部件及 整管设计计算方法，研究其测试技术与工艺技术，突破关键技术，研制出达到性能指标 的可供雷达整机使用的8伽】波段高功率回旋速调管样管实现情况：已完成8nmi回旋速调管的电子枪、高频互作用系统、注-波互作用、管 子冷测、热测技术及整管结构工艺技术等各项关键技术研究及相关的设计、计算方法研 究，不断改进设计，研制了多批样管现在已研制出达到和超过“十•五”计划规定的 指标，实现了研究目标研究内容(1) 已完成磁控注入电子枪、互用用高频谐振腔、注波互作用、高频输入系统等 项关键技术研究，并将研究结果成功用于整管设计(详见下面叙述)(2) 完成新的大工作比高压脉冲调制器电源研制，最高脉冲电压80kV,最大脉冲 电流50A,完成了 8nmi波段大工作比前级激励系统，包括大工作比TWT电源，定购了相 应的TWT；完成了无液氮低温超导系统研制工作，此系统已经通过了验收，这些设备不 仅为完成“十•五”预研计划起到了作用，也为进一步提高8mm回旋速调管性能和器件 实用化打下了基础3) 在关键技术专题研究基础上，不断改进管子设计，经过多次改进整管，最后 研制出了达到和超过“十•五”预研计划规定的各项指标的8mm波段高功率回旋速调管 样管。
二、研究方案及研究过程2. 1研究方案要实现项目的研究目标，采取了回旋基波超导磁系统多腔回旋速管方案回旋速调 管采用多腔以提供足够增益采用基波、工作磁场约为1.4特斯拉(14KGs),用超导磁 体提供这种高磁场，一方面美俄研制的回旋速调管及相应的雷达中均采用超导磁体；另 一方面，本课题组通过对俄引进已具有超导磁体的条件同时，用基波参量更稳定，功 率、效率可做得较高，可以将较多研究精力集中在提高器件的其它参量上为实现这一 方案，已拟采用如下方法与技术途径解决相关关键技术：(1) 釆用理论模拟与冷测相结合，解决低Q腔技术，利用本课题“九•五”期间发 展的方法解决输出腔设计计算问题，利用我们发展的场匹配理论解决中间群聚腔计算问 题，利用引进的IIFSS软件解决输入调制腔冷腔的三维数值模拟问题，用小功率冷测方 法对各腔Q值与谐振频率进行实测，并与模拟结合对低Q腔进行深入研究2) 发展与建立回旋速调管的自洽大信号理论方法研究各谐振腔中注-波互作用， 建立从输入谐振腔、各漂移段、各中间谐振腔(群聚腔)到输出腔的统一注-波非线性 互作用程序软件，进行大量计算模拟、对几何尺寸与电子注参量进行优化，解决整管的 输出功率、增益与效率问题。
3) 用各低Q腔参差调谐与用输出互作用行波段(即回旋行波速调管方案)并结合 大信号计算解决回旋速调管带宽问题4) 完善和发展原有的磁控注入电子枪的程序软件，对回旋速调管用的磁控注入电 子枪进行大量数值模拟，模拟双阳极电子枪与单阳极电子枪，研究几何尺寸与磁场分布 对电子注质量的影响，优选出最佳结构与尺寸的电子枪与此同时，利用美国的E-gun 程序软件计算模拟电子枪，提高模拟计算的准确性与可靠性5) 加强对输出窗的研究，选用低损耗导热率良好的输岀窗材料，减少窗的损耗功 率，数值模拟电子注在收集极(输出波导)内的运动轨迹，设计出更好结构的输出窗和 收集极，并改进水冷系统，增强冷却散热能力，以解决高平均功率问题6) 兼顾对中、绝缘、冷却、磁场调节方便等诸方面的要求，吸收原有回旋管研制 经验，设计出更合理的电子枪及整管小型化结构，并加强电子枪、绝缘、焊接等单项实 验研究7) 建立完善的热测、冷测条件，保证整管热测与高频部件冷测能顺利进行2.2研究过程本项目2001年下达，并开始进一步收集资料，深入进行调研工作，开始进行各关 键技术的专题研究，对回旋速调管各部件进行初步设计，通过“934”工程，完成了热 测系统的建立，包括建立起了高压脉冲调制器电源、超导磁场系统、回旋速调管前级放 大链、测试控制台的整套热测系统，高压调制器电源可产生最髙电压80kV,最大电流 40A,脉冲工作比1%的高压脉冲，超导系统最大磁场为2特斯拉，由两级行波管组成的 前级放大链，在8mni波段可输出最大脉冲功率lkW,带宽大于lGHzo这套热测系统为完 成“十•五”预研任务提供了良好的硬件条件。
2002年建立与完善了冷测系统，从国外 购进了 8722ES矢量网络分析仪和测试配套的同轴小电缆，为回旋速调管的冷测工作准 备了条件在专题研究基础上，对整管进行了第一轮全面设计，加工了零部件，进行了 管子结构工艺实验2003年研制岀了第一批工艺样管，进一步解决结构工艺问题，第 一批工艺样管便测出了 8mm 30kW输出功率，根据第一批样管出现的问题进一步开展了 关键技术研究，并通过外协，开始了大工作比高压调制器电源、前级激励源(行波管及 电源）、无液氨超导系统研制工作，2004年开展全面深入的专题研究，在此基础上改进 整管设计，研制了第二批样管，经大功率热测实验，所研制的回旋速调管最大脉冲输出 功率突破100kW, 2005年，根据管子的问题，再进一步在电子枪、高频系统等方面进行 专题研究，进一步改进管子设计，研制出了每三批样管，经过我们自已的大功率热测， 所研制的8mm回旋速调管最大脉冲功率已空破170kW,我们又进一步挖掘原有的大功率 脉冲调制电源的潜力，将最大脉冲重复频率从100GHz提高到136GHz,以得到更大的回 旋速调管平均输出功率经中国测试技术研究院来电子科技大学大功率毫米波热测室监 测，课题组研制的8mm高功率回旋速调管。