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回旋速调管放大器及其发展评述PDF

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  第 卷 第 期 电 子 与 信 息 学 报 年 月 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 、 , 一 一 过近 多年 的努力 已发展 出 回旋行波管 回旋速调管 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 的发展起到推动作用 , 一 一 一 一 收到 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 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 、 、 低 电流 低 况 波 回 洽 , 回 的 了理 场 值情 下谐 旋速 调管 的 自 理论 并对 旋速调管 效率进行 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 。 ‘ 。 一 川 和 即 “ 首先对二次谐波 回旋速调管进 行 了理论研 究 “ 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 。 , 电 出 的 电 加 加 , 和 次 获 了 的增 腔体 从 子枪 来 子束通过 速器 速 在五次 六 谐波下 得 超过 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 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 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 米波 和 达 。 达相 比, 波 波 、 毫 雷达兼具微波雷达 激光雷 的优 点 与厘米波雷 毫米 雷达具有 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 的 多 用 , 处 海 度 , 由 度 , 窗 口 已 然在海军 许 应 中 信号传输是 在低 平面高 这 时 于湿 高 这些 。 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 平均功率率 效率率 带宽宽 增益益 模式式式 护护 人 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 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 。 出 了 出的 和 , 的倍频输 他 们还进行 产生三次谐波输 尝试 在一次 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 到 主 国的 充 它 的 , 多 的 战 正越来越受 世界各 要大 重视 但要 分发挥 潜力 还需要克服许 重要 挑 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