專利名稱：一種雙?；匦胁ü芊糯笃鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波源器件技術(shù)領(lǐng)域，是一種采用多種互作用模式工作的回旋行波管 放大器。
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)五十年代后期，電子回旋脈塞互作用原理被發(fā)現(xiàn)，基于該原理的高能微 波源在理論和實(shí)驗(yàn)上都得到深入的研究，這些高能微波源在當(dāng)今的雷達(dá)通訊、定向能武器、 高梯度加速器等方面得到廣泛地應(yīng)用?；匦胁ü芊糯笃魇且环N基于電子回旋脈塞原理的 放大器。該器件具有獨(dú)特的寬頻帶和高功率特點(diǎn)，這使其成為發(fā)展下一代高分辨率成像雷 達(dá)首選的微波源。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，該類器件仍然受到穩(wěn)定性的嚴(yán)重影響，難以實(shí)現(xiàn) 工程化。因此，解決回旋行波管放大器穩(wěn)定性問題，是提高該類器件功率水平，加快其工程 實(shí)用化的關(guān)鍵。常規(guī)的回旋行波管放大器通常工作在互作用波導(dǎo)的某個(gè)低階模式上。當(dāng)器件的工 作頻率很高時(shí)，器件的互作用波導(dǎo)很小，限制了器件的功率水平。基于 分布損耗方案的回旋 行波管放大器的互作用波導(dǎo)中，高能微波主要集中在非線性放大段。因此，非線性放大段所 能穩(wěn)定放大的微波功率決定器件的功率量級。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種雙模回旋行波管放大器，以解決單模放大器工作電流 低，穩(wěn)定性差的問題，并具有更高的輸出功率和更優(yōu)越的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種雙?；匦胁ü芊糯笃?，其具有兩段結(jié)構(gòu)，第一段為線性放大段，采用損耗加 載金屬波導(dǎo)，工作在低階模，第二段為非線性放大段，采用光滑金屬波導(dǎo)，工作在高階模式。所述的雙模回旋行波管放大器，其所述線性放大段、非線性放大段為圓金屬波導(dǎo)， 線性放大段采用損耗波導(dǎo)內(nèi)壁涂覆有分布損耗層；線性放大段一端外設(shè)輸入耦合器，線性 放大段一端內(nèi)軸向設(shè)置電子槍，電子槍發(fā)射端向內(nèi)；線性放大段另一端與非線性放大段一 端共軸固接，非線性放大段的直徑大于線性放大段的直徑，相接處有一環(huán)形臺階，臺階面上 覆有集中衰減器，非線性放大段另一端固接有喇叭形輸出耦合器；線性放大段、非線性放大 段放置于外圍線包或超導(dǎo)提供的磁場中。所述的雙?；匦胁ü芊糯笃?，其所述分布損耗層為損耗陶瓷或石墨材料制作。所述的雙?；匦胁ü芊糯笃鳎渌黾兴p器為衰減材料制作的涂層，或損 耗陶瓷制作的陶瓷環(huán)，或在集中衰減器的波導(dǎo)壁上沿徑向開槽或開縫的方式引入輻射損耗ο所述的雙?；匦胁ü芊糯笃鳎渌黾兴p器，用于消除放大器互作用系統(tǒng) 中波導(dǎo)不連續(xù)性對注波互作用造成的不良影響；對于高平均功率工作的放大器，集中衰減 器的波導(dǎo)外壁設(shè)有冷卻水路，以保證歐姆損耗所產(chǎn)生的熱量能夠被快速傳導(dǎo)出去。
所述的雙?；匦胁ü芊糯笃?，其放大器采用特定對應(yīng)關(guān)系的模式對工作 TE01-TE02模式對，該模式對在線性放大段工作在圓波導(dǎo)的TEOl模，非線性放大段工作在 TE02 模。所述的雙模回旋行波管放大器，其所述特定對應(yīng)關(guān)系，是指在器件的工作頻段范 圍內(nèi)，電子束所在的徑向位置模式對的兩個(gè)模式都具有相近似的場分布；采用TE01-TE02 模式對的94GHz放大器，在線性段的TEOl模，或是在非線性段的TE02模，它們在電子束所 在的中心半徑0. 105cm處都是圓對稱的，且具有最大的場強(qiáng)本發(fā)明的積極效果是采用了雙模工作的回旋行波管放大器，具有更高的穩(wěn)定性 閾值電流和更高的功率容量，器件具有更好的穩(wěn)定性和更高的輸出功率。是一種極具發(fā)展 潛力的高功率毫米波源，在我國高分辨率遠(yuǎn)程雷達(dá)等重要國防領(lǐng)域極具發(fā)展前景。


圖1為本發(fā)明的一種雙?；匦胁ü芊糯笃骰プ饔孟到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的線性放大段1注波冷色散關(guān)系圖；圖3為本發(fā)明的線性放大段1注波耦合強(qiáng)度圖；圖4為本發(fā)明的非線性放大段2注波冷色散關(guān)系圖；圖5為本發(fā)明的非線性放大段2注波耦合強(qiáng)度圖；圖6為本發(fā)明的線性放大段1的微波場的冷衰減率和不穩(wěn)定性增長率圖；圖7為本發(fā)明的非線性放大段2的起振長度圖；圖8為本發(fā)明的非線性放大段2的增長率圖；圖9為本發(fā)明中92. 3GHz的互作用系統(tǒng)效率圖；圖10為本發(fā)明在0. Iff的驅(qū)動下系統(tǒng)的輸出功率圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)說明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅在便于 對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。本發(fā)明的一種雙?；匦胁ü芊糯笃鳎摲糯笃骶哂袃啥谓Y(jié)構(gòu)，線性放大段和非 線性放大段。線性放大段為放大器提供高增益，非線性放大段提供高功率。第一段為線性放大段，采用損耗加載金屬波導(dǎo)，工作在低階模。金屬波導(dǎo)通常為圓 波導(dǎo)，波導(dǎo)內(nèi)壁通過涂覆損耗材料，或者加載一層損耗陶瓷，構(gòu)成分布損耗。在恰當(dāng)?shù)膿p耗 條件下，放大器的互作用電子注在線性放大段與波導(dǎo)中的某個(gè)較低階的模式互作用，將驅(qū) 動功率穩(wěn)定放大。在此過程中，電子注不斷獲得優(yōu)良的群聚特性。第二段為非線性放大段，采用光滑金屬波導(dǎo)，工作在與線性放大段相對應(yīng)的某個(gè) 高階模式上。由于非線性放大段工作在高階模式上，具有更大的波導(dǎo)橫向尺寸，這提高了器 件的功率容量。同時(shí)放大器的電子注與高階模式的耦合強(qiáng)度相對較弱，所以器件的自激勵(lì) 振蕩的閾值電流較高，這使得器件可以工作在更高的電流條件下，所以器件具有相對較好 的穩(wěn)定性。本發(fā)明的一種雙?；匦胁ü芊糯笃骶褪菍⒊Ｒ?guī)的回旋行波管放大器的非線性 放大段替換成為恰當(dāng)?shù)母唠A模式的波導(dǎo)，讓群聚良好的電子注在非線性放大段與相應(yīng)的高
4階模式互作用，將橫向動能有效地交給微波場，由于高階模式波導(dǎo)具有相對更大的橫向尺 寸，所以該類器件具有更好的穩(wěn)定性和更高的輸出功率。為了更加清楚地闡述本發(fā)明，下文闡述的一種雙模回旋行波管放大器工作在回旋 電子注的基波，采用圓波導(dǎo)TE01-TE02模式對工作，即器件的線性放大段工作在圓波導(dǎo)的 TE01，非線性放大段工作在TE02模。放大的設(shè)計(jì)中心頻率為94GHz。圖1給出了本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)的示意圖。其中，線性放大段1，非線性放大段2，電子 槍3，電子注4，磁場線包5，輸入耦合器6，輸出耦合器7，分布損耗層8，集中衰減器9，金屬 圓波導(dǎo)10。其中，線性放大段1、非線性放大段2為圓金屬波導(dǎo)10，線性放大段1內(nèi)壁涂覆 有損耗材料構(gòu)成的分布損耗層8 ；線性放大段1 一端外設(shè)輸入耦合器6，內(nèi)軸向設(shè)置電子槍 3，電子槍3發(fā)射端向內(nèi)；線性放大段1另一端與非線性放大段2 —端共軸固接，非線性放大 段2的直徑大于線性放大段1的直徑，相接處有一環(huán)形臺階，臺階面上覆有集中衰減器9，非 線性放大段2另一端固接有喇叭形輸出耦合器7。在線性放大段1、非線性放大段2外側(cè)，相對設(shè)置有一對磁場線包5。電子槍3發(fā)射出電子注4。電子注4在相對兩磁場線包5所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場的作用 下，逐漸回旋起來，達(dá)到恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動狀態(tài)之后注入線性放大段1。線性放大段1由金屬圓波 導(dǎo)10內(nèi)壁加載一層分布損耗層8構(gòu)成。較低功率量級的微波通過輸入耦合器6饋入線性 放大段1，在線性放大段1中激勵(lì)起TEOl模式。電子注4在線性放大段1中與TEOl?；プ?用，不斷將其中的微波能量放大，與此同時(shí)，電子注4不斷群聚起來。被放大后的微波能量 注入非線性放大段2，在非線性段2中激勵(lì)起TE02模。群聚良好的電子注4注入非線性放 大段2與非線性放大段2中的TE02模互作用，在非線性非放大段2中迅速激勵(lì)起高功率微 波場。所產(chǎn)生的高能微波通過輸出耦合器7耦合出去，以備其他系統(tǒng)使用。需要說明的是 金屬圓波導(dǎo)10包括線性放大段1和非線性放大段2，只是波導(dǎo)半徑不一樣。集中衰減器9 通常是由涂覆在非線性放大段2左斷面上的衰減材料構(gòu)成的，以此減小波導(dǎo)壁不連續(xù)性造 成的影響。集中衰減器9還有其它的實(shí)現(xiàn)方式，如損耗陶瓷構(gòu)成的陶瓷環(huán)，或在集中衰減器 的波導(dǎo)壁上沿徑向開槽或開縫的方式引入輻射損耗。該集中衰減器主要用于消除放大器互 作用系統(tǒng)中波導(dǎo)不連續(xù)性對注波互作用造成的不良影響。對于高平均功率工作的放大器， 該集中衰減器需要附加冷卻水路或者其它的冷卻措施。本實(shí)施例中，互作用系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。表1 94GHz雙?；匦胁ü芊糯笃鞯南到y(tǒng)參數(shù) 線性放大段1的注波冷色散關(guān)系和注波耦合強(qiáng)度分別如圖2和圖3所示。非線性 放大段2的注波冷色散關(guān)系和注波耦合強(qiáng)度分別如圖4和圖5所示。通過上述色散關(guān)系 圖，可以大致確定系統(tǒng)所面臨的競爭模式，通過注波耦合強(qiáng)度圖，可以確定電子注引導(dǎo)中心 的位置。選擇電子注引導(dǎo)中心0. 105cm，可以保證電子注在線性放大段1與工作主模TEOl 模有較強(qiáng)的耦合，又可以保證電子注在非線性放大段2與工作主模TE02模有較強(qiáng)的耦合。 在當(dāng)前的工作參數(shù)條件下，線性放大段1通過分布損耗層8抑制自激勵(lì)振蕩，而非線性放大 段則通過縮短互作用回路以抑制自激勵(lì)振蕩。線性放大段1的內(nèi)壁涂覆分布損耗層8通常用石墨材料制作而成。強(qiáng)損耗的線性 放大段1中，工作主模TEOl模的冷衰減率約為7dB/cm (94GHz)，可以有效抑制工作模式和其 他競爭模式所引起的自激振蕩。在當(dāng)前的工作參數(shù)條件下，電子注4與線性放大段1中的 TEOl?；プ饔每梢援a(chǎn)生約4. 5dB/cm的增長率。因此，線性放大段1可以產(chǎn)生約60dB的增益。線性放大段2為光滑圓波導(dǎo)，群聚后的電子注在該部分與TE02模進(jìn)行強(qiáng)烈的互作 用，將微波場迅速放大。由于系統(tǒng)電流較高，容易激勵(lì)起TE02模自激振蕩。在當(dāng)前系統(tǒng)參 數(shù)條件下，TE02模自激振蕩的起振長度隨工作電流的變化如圖7所示。非線性放大段2的 增長率可以達(dá)到5dB/cm，因此2cm的非線性放大段2可以提供約IOdB的總體增益。綜合圖2到圖8考慮，系統(tǒng)總體增益可以達(dá)到60dB。我們采用頻域穩(wěn)態(tài)粒子追蹤 算法，對互作用系統(tǒng)進(jìn)行總體模擬。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的互作用效率和進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定 性，非線性放大段2的磁場線性減小4%。系統(tǒng)模擬結(jié)果如圖9和圖10所示。系統(tǒng)在0. Iff 的驅(qū)動功率下，可以輸出的功率為248kW (92. 3GHz)，增益為64dB，效率高達(dá)24. 8 %。系統(tǒng)在 0. Iff的等激勵(lì)條件下輸出的輸出功率如圖10所示。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種雙?；匦胁ü芊糯笃?，其特征在于，具有兩段結(jié)構(gòu)，第一段為線性放大段，采用損耗加載金屬波導(dǎo)，工作在低階模，第二段為非線性放大段，采用光滑金屬波導(dǎo)，工作在高階模式。
2.如權(quán)利要求1所述的雙?；匦胁ü芊糯笃?，其特征在于，所述線性放大段、非線性 放大段為圓金屬波導(dǎo)，線性放大段采用損耗波導(dǎo)內(nèi)壁涂覆有分布損耗層；線性放大段一端 外設(shè)輸入耦合器，線性放大段一端內(nèi)軸向設(shè)置電子槍，電子槍發(fā)射端向內(nèi)；線性放大段另一 端與非線性放大段一端共軸固接，非線性放大段的直徑大于線性放大段的直徑，相接處有 一環(huán)形臺階，臺階面上覆有集中衰減器，非線性放大段另一端固接有喇叭形輸出耦合器；線 性放大段、非線性放大段放置于外圍線包或超導(dǎo)提供的磁場中。
3.如權(quán)利要求2所述的雙模回旋行波管放大器，其特征在于，所述分布損耗層為損耗 陶瓷或石墨材料制作。
4.如權(quán)利要求2所述的雙?；匦胁ü芊糯笃鳎涮卣髟谟?，所述集中衰減器為衰減 材料制作的涂層，或損耗陶瓷制作的陶瓷環(huán)，或在集中衰減器的波導(dǎo)壁上沿徑向開槽或開 縫的方式引入輻射損耗。
5.如權(quán)利要求4所述的雙?；匦胁ü芊糯笃鳎涮卣髟谟?，所述集中衰減器，用于消 除放大器互作用系統(tǒng)中波導(dǎo)不連續(xù)性對注波互作用造成的不良影響；對于高平均功率工作 的放大器，集中衰減器的波導(dǎo)外壁設(shè)有冷卻水路，以保證歐姆損耗所產(chǎn)生的熱量能夠被快 速傳導(dǎo)出去。
6.如權(quán)利要求1所述的雙?；匦胁ü芊糯笃?，其特征在于，放大器采用特定對應(yīng)關(guān) 系的模式對工作TE01-TE02模式對，該模式對在線性放大段工作在圓波導(dǎo)的TE01模，非線 性放大段工作在TE02模。
7.如權(quán)利要求6所述的雙?；匦胁ü芊糯笃?，其特征在于，所述特定對應(yīng)關(guān)系，是指 在器件的工作頻段范圍內(nèi)，電子束所在的徑向位置模式對的兩個(gè)模式都具有相近似的場分 布；采用TE01-TE02模式對的94GHz放大器，在線性段的TE01模，或是在非線性段的TE02 模，它們在電子束所在的中心半徑0. 105cm處都是圓對稱的，且具有最大的場強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙?；匦胁ü芊糯笃?，涉及微波源器件技術(shù)，具有兩段結(jié)構(gòu)，第一段為線性放大段，采用損耗加載金屬波導(dǎo)，工作在低階模，第二段為非線性放大段，采用光滑金屬波導(dǎo)，工作在高階模式。線性放大段為放大器提供高增益，非線性放大段提供高功率。由于非線性放大段工作在高階模式上，具有更大的波導(dǎo)橫向尺寸和更高的穩(wěn)定性閾值電流。本發(fā)明的雙模回旋行波管放大器解決了單模放大器工作電流低，穩(wěn)定性差的問題，具有更高的輸出功率和更優(yōu)越的穩(wěn)定性，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母吖β屎撩撞ㄔ矗谖覈叻直媛蔬h(yuǎn)程雷達(dá)等重要國防領(lǐng)域極具發(fā)展前景。
文檔編號H01J25/49GK101930886SQ20091008788
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者劉濮鯤, 杜朝海, 薛謙忠 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所