锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

S波段3 GW 相对论速调管放大器的设计

利用速调管放大器中间腔可以提高器件放大增益,并达到降低微波注入功率的要求,同时针对高功率微波相对论速调管放大器的特点,建立了一个带有两个中间腔的S波段相对论速调管放大器,采用特殊结构克服了多个中间腔引入的高次模影响,模拟上实现了在kW量级微波注入条件下,基波电流调制深度达到80%,输出微波3.3 GW。     

低功率驱动的高功率微波放大器实验研究

在器件设计上,针对低功率驱动的高功率微波放大器或高增益放大器中的高次模激励和自激振荡问题,采取了降低电子束同器件前端结构耦合等措施,来保证器件在工作区间完全处于放大状态,通过PIC模拟,设计了低功率驱动的S波段高功率微波放大器(电子束:流强7.5 kA,电子能量750 kV),注入微波6.8 kW时,模拟微波输出功率1.7 GW,增益53.9 dB.在Sinus加速器平台上开展了相应的实验研究: 注入微波62 kW时,微波输出功率达到2.04 GW(电子束:流强8 kA,电子能量800 kV), 输出频率 关键词： 高功率微波 微波器件 高增益 模式控制     

S波段四腔强流相对论速调管的设计和实验研究

本文根据四腔强流相对论速调管设计过程中出现的高次模振荡现象,采用电磁场软件模拟,分析了这种振荡的产生原因,给出抑制这种高次模振荡的方法.利用二维和三维模拟软件,研究了谐振腔谐振频率、谐振腔Q值、漂移管长度、特性阻抗等参数的变化对高次模振荡的影响,模拟上验证了高次模振荡抑制方法的有效性,并在输出端模拟获得了功率2.13 GW、效率26%、增益60 dB的输出微波,实现了2D,3D中高次模振荡的有效抑制.最终在实验中获得了功率1.9 GW、效率24%、增益61 dB的输出微波.     

高增益相对论速调管放大器自激振荡的分析与抑制

通过二维和三维粒子模拟研究了高增益相对论速调管放大器中高次模式的激励机理,两者结果的一致性排除了高次非对称模式激励的影响。由此建立了高次模式起振的理论模型,给出了高次模式的起振电流。并通过在器件内加入微波衰减材料来抑制高次模式自激振荡,模拟获得了1.95GW的微波输出,增益62.8dB。     

S波段多注相对论速调管放大器长时间运行研究北大核心CSCD

为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。     

导引磁场控制相对论速调管放大器电子束收集的方法

 通过改变磁场位形,利用粒子模拟方法,研究了相对论速调管放大器（RKA）中电子束收集位置对器件效率和工作稳定性的影响。合适的电子束收集位置对增加输出腔区束波作用强度、减小输出腔区强流电子束的空间电荷势能以及减少RKA中反射电子数量非常有利。对一个工作频率2.85 GHz的RKA的电子束收集方式进行了改进,在电子束参数为510 keV和8.1 kA,注入微波功率500 kW和导引磁场1.5 T时,模拟得到了1.4 GW的微波输出,效率33.7%,增益33.8 dB,改进电子束收集方式之前的模拟结果为输出功率1.1 GW,效率为26.3%。利用Surperfish设计了改进收集方式后所需的磁场位形,并导入粒子模拟程序进行了模拟,实现了对电子束收集位置的有效控制,输出效率为32%。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求，设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器，建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构，降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式；设计采用多腔多间隙群聚结构，降低了输入微波功率的需求，提高了器件放大增益；并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构，提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计，粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW，器件放大增益约为60 dB，功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV，电流5.1 kA的情况下，输出功率为0.99 GW，放大增益约为53 dB，转换效率约为35%。     

重复运行短脉冲S波段相对论速调管放大器

介绍了利用HVG-1二极管产生的强流短脉冲电子束源, 开展短脉冲重复频率为100Hz的S波段相对论速调管放大器(RKA)实验研究. 利用无箔空心石墨阴极和0.82T的恒流源引导磁场, 引出了电压约700kV、电流约6.5kA、脉宽(半高宽)25ns的环形电子束. 该电子束经过输入腔和中间腔的调制后, 得到了5kA/22ns的 基波调制电流. 经过输出腔后, 得到了大于1GW/20ns的辐射微波, 频率2.95GHz, 平均功率2.4kW, 效率约24%, 增益34dB. 没有观察到限制该GW级功率水平的S波段RKA的因素.     

宽带相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种用于S波段、工作带宽10%的相对论速调管放大器结构。该宽带管采用多间隙输入腔、两个中间腔和重叠模双间隙输出腔来拓展相对论速调管放大器(RKA)群聚段和输出段的带宽, 模拟得到基波调制深度大于80%时, RKA群聚段和输出段的带宽分别为11%和15%。整管模拟时, 通过调节注入微波频率和功率, 得到最大功率1.58 GW、3 dB相对工作带宽10%、带内微波功率不小于1 GW的输出微波。     

Mode control in a high gain relativistic klystron amplifier with3 GW output power

Higher mode excitation is very serious in the relativistic klystron amplifier, especially for the high gain relativistic amplifier working at tens of kilo-amperes. The mechanism of higher mode excitation is explored in the PIC simulation and it is shown that insufficient separation of adjacent cavities is the main cause of higher mode excitation. So RF lossy material mounted on the drift tube wall is adopted to suppress higher mode excitation. A high gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam current of 13 kA and the voltage of 1 MV. PIC simulation shows that the output power is 3.2 GW when the input power is only 2.8 kW.     

X波段高功率相对论速调管放大器研究

为进一步提高X波段相对论速调管放大器的输出功率,采用理论分析与粒子模拟的方法对双群聚腔级联式相对论速调管放大器进行了研究。分析了提高注入腔对注入微波吸收效率的方法,分析了群聚腔调制能力与腔体模式、Q值等参数的关系,分析了输出腔提取效率与Q值的关系。在三维粒子仿真中,设计了模式反射器抑制TEM模式泄露与杂模振荡,得到了功率超过2.5 GW,频谱纯净,频率锁定为8.40 GHz,输出输入微波相位差稳定,抖动不超过2°的高功率微波输出。     

Mode control in a high-gain relativistic klystron amplifier

Middle cavities between the input and output cavity can be used to decrease the required input RF power for the relativistic klystron amplifier.Meanwhile higher modes,which affect the working mode,are also easy to excite in a device with more middle cavities.In order for the positive feedback process for higher modes to be excited,a special measure is taken to increase the threshold current for such modes.Higher modes' excitation will be avoided when the threshold current is significantly larger than the beam current.So a high-gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam of current 5 kA and beam voltage 600 kV.Particle in cell simulations show that the gain is 1.6×105 with the input RF power of 6.8 kW,and that the output RF power reaches 1.1 GW.     

S波段长脉冲相对论速调管重复频率运行稳定性研究

为了进一步提高S波段高功率强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的重复频率稳频稳相运行的性能,采用实验结合理论和模拟的方法,分析了其主要制约因素,特别分析了造成器件脉冲缩短和重复频率运行不稳定等问题的根源。研究结果表明,RKA中的中间腔和输出腔的电子反射、电子散焦轰击腔体鼻锥是造成脉冲缩短、重复频率运行不稳定的主要根源。通过采用大漂移管半径的器件结构、在漂移管中加载吸波材料以及引导磁场位形、采用电子发射较均匀的碳/碳复合阴极材料等措施,使杂频振荡、脉冲缩短和重复频率工作不稳定性等问题得到了明显减轻,输出微波相位稳定性得到显著提高。采用电压830 kV、束流7.7 kA、脉宽190 ns的环行电子束驱动S波段3腔RKA,重复频率25 Hz运行得到了峰值功率1.55 GW、脉宽163 ns、相位抖动18°(rms)的输出微波。     

高增益相对论速调管放大器相位特性的模拟与实验研究

为实现高功率微波的相干功率合成, 开展了S波段高增益相对论速调管放大器输出微波相位特性的粒子模拟和实验研究, 粒子模拟与实验结果均表明电子回流是影响输出微波相位特性的主要因素. 在有效控制电子回流的情况下, 实验实现输出微波相位抖动小于± 10°, 锁相时间达90 ns. 以此计算, 若相位抖动在± 10° 内满足均匀分布, 十台该高增益相对论速调管放大器的功率合成效率将大于99%.     

高功率跨波段相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种能在S波段和C波段实现稳定输出的高功率相对论速调管放大器,并使用电磁粒子PIC程序进行了模拟研究。模拟结果表明:采用700 kV,4 kA的电子束,在注入微波功率340 kW、注入微波频率分别为2.8 GHz和3.2 GHz的条件下,通过合理选择输入腔和中间腔的结构和工作模式、调节器件输出腔的腔长,模拟实现了S波段（3.2 GHz）和C波段（5.6 GHz）分别为1 GW和490 MW的微波输出,束波转换效率分别约为35%和17%。     

基于离轴高增益速调管的X波段高功率合成技术研究

为了克服强流高增益速调管放大器中的自激振荡和适应低阻抗脉冲功率源发展的需要,利用高阻抗X波段五腔高增益速调管放大器进行了离轴八注八管高增益速调管功率合成技术研究,在频率为9.47 GHz、模拟输出功率为284 MW、增益为51.6 d B和效率为35.5%条件下,该器件整管微波输出稳定.在三维模型中,在离轴54 mm条件下该器件的微波输出特性稳定.基于实验室现有4.5 T(长1.1 m,室温孔径为150 mm)超导磁体,进行了八注八管高增益速调管的整管模拟,每个器件实现284 MW的微波输出.最后,为实现GW级功率输出,利用HFSS软件设计了用于离轴八注八管高增益速调管功率合成的八合一功率合成器,将该合成器同八注八管高增益速调管结合,模拟得到功率为1.84 GW、增益为50.7 d B、效率为28.8%的微波输出.