CN101329977A - 同频异模回旋行波速调管放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同频异模回旋行波速调管放大器，其特点是该同频异模回旋行波速调管放大器由一个输入腔、零个或多个群聚腔、一个或多个漂移段和一个行波放大段组成，输入腔、群聚腔和行波放大段分别通过漂移段连接成整体。同频异模回旋行波速调管放大器的输入腔、群聚腔和行波放大段工作于相同谐波相同频率，同频异模回旋行波速调管放大器的输入腔、群聚腔和行波放大段中工作波导模式角向指标相同，同频异模回旋行波速调管放大器的输入腔和群聚腔工作于相同的较低阶波导模式，行波放大段工作于比输入腔更高阶的波导模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种同频异模回旋行波速调管放大器(gyrotwystron)，属于高功率毫米波源技术领域。
背景技术
高功率毫米波雷达在高分辨率雷达成像、反隐身、反低空飞行目标、反掠海飞行导弹、导弹防御和电子对抗等国防领域具有非常重要的应用前景，在遥感、气象、深空探测和高能物理等民用领域也有很好的应用前景。要发展高功率毫米波雷达，首先要研制高功率毫米波源，传统的真空电子器件在毫米波频段遇到了极大的困难。而回旋管(1.Twiss R.Q.，Roberts J.A.Electromagnetic radiation fromelectrons rotating in an ionized medium under the action of a uniform magnetic field.Aust.J.Phys.1958，11：424～432. 2.Schneider J.Stimulated emission ofradiation by relativistic electrons in a magnetic field.Phys.Rev.Lett，1959，2：504-508. 3.A.V.Gaponov，“Interaction between irrectilinear electron beamsand electromagnetic waves in transmission lines，”Izv.VUZov.Radiofiz.，vol.2，pp.836-837，1959.)作为一种新型快波器件，它不受常规电真空器件中电子与波互作用空间的线尺寸和频率成反比规律的限制，在毫米波段其尺寸比传统器件大得多，因而其功率容量也大得多。为了获得应用于毫米波雷达系统的高功率相干毫米波源，国内外正在大力发展回旋管放大器件。其中，回旋行波速调管放大器(gyrotwystron)由于在输出段采用行波结构(gyro-TWT)具有回旋速调管(gyroklystron)高效率高增益的优点，同时克服了回旋速调管带宽窄的缺点。由于限制回旋速调管带宽的一个重要因素是输出腔带宽有限，回旋速调管放大器的通过把回旋速调管的输出腔更换为行波段，去掉了输出谐振腔对管子带宽的限制，另外，还可以通过参差调谐来进一步增大回旋行波速调管的带宽(G.S.Nusinovich，“Linear Theory of a Gyrotwystron with Stagger-Tuned Cavities”，Phys.Plasmas vol.4(9)，pp.3394-3402，2002.)。经过多年的研究，回旋行波速调管放大器在理论和实验两方面都取得了很大的进展(1.Wenjun Chen，“Nonlinear Theoryof Gyrotwystrons with Stagger-Tuned Cavities”，IEEE TRANSACTIONS ONPLASMA SCIENCE，VOL.26，NO.3，pp.429，JUNE 1998. 2.Monica Blank，“An Investigation of X-Band Gyrotwystron Amplifiers”，IEEE TRANS.ONPLASMA SCI.，VOL.26，NO.3，pp.577，1998.)，成为最具发展前景和应用价值的一种高功率宽带毫米波相干辐射源之一。
现有的回旋行波速调管放大器大体上有两种配置方式，一种是输入腔、群聚腔和行波放大段工作于相同模式、相同频率和相同谐波次数。基波回旋行波速调管一般各部分工作于TE01模式，如图3，4所示，模式竞争容易控制，但功率容量不足。还有一种所谓的谐波倍频方案，输入腔和中间腔工作于低阶模式、低次谐波和低频率，输出腔工作于高阶模式、高次谐波和高频率，优点有二，首先采用高次谐波可以降低磁场；其次，低频率的驱动源更廉价更容易获得。缺点是，倍频方式完全是非线性的，相位不能锁定，因此不能应用于某些通信应用。
发明内容
本发明的目的有以下技术措施实现
同频异模回旋行波速调管放大器由一个输入腔、零个或多个群聚腔、一个或多个漂移段和一个行波放大段组成，输入腔、群聚腔和行波放大段分别通过漂移段连接成整体。
输入腔、群聚腔和行波放大段工作于相同谐波，相同频率。
输入腔、群聚腔和行波放大段中工作波导模式角向指标相同。
输入腔和群聚腔工作于较低阶波导模式。
行波放大段工作于比输入腔更高阶波导模式。
本发明具有如下优点：
1.输入腔和群聚腔工作于低阶波导模式，有利于控制模式竞争。
2.输入腔、群聚腔和行波放大段工作于相同谐波，相同频率，可以锁频锁相。
3.行波放大段工作于比输入腔更高阶的波导模式，有利于提高器件功率。
附图说明
图1为同频异模回旋行波速调管高频结构示意图。
1电子注通道，2输入腔，3漂移段I，4群聚腔，5漂移段II，6损耗介质层，7行波放大段，8输出渐变波导，9输出均匀波导。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例：
如图1所示，同频异模回旋行波速调管由电子注通道1，输入腔2，漂移段I3，群聚腔4，漂移段II5，损耗介质层6，行波放大段7，输出渐变波导8，输出均匀波导9多部分构成，电子注通道1与输入腔2连接，输入腔2与漂移段I3连接，漂移段I3与群聚腔4连接，群聚腔4与漂移段II5连接，漂移段II5与行波放大段7连接，行波放大段7与输出渐变波导8，输出渐变波导8与输出均匀波导9连接，损耗介质层安装在行波放大段7的左侧波导壁上。其中，根据实际需要群聚腔可以为零个或多个。
实施的原则是：工作模式角向指标保持相同，输入腔、群聚腔和输出行波段工作于相同频率，输入腔和群聚腔工作于较低阶模式，行波放大段工作于比输入腔更高阶的波导模式。
对于基波的情况，选择输入腔和群聚腔工作于TE01模式，行波放大段工作于更高阶模式TE02，输入腔、群聚腔和行波放大段工作于相同频率；也可选择输入腔和群聚腔工作于TE02模式，行波放大段工作于更高阶模式TE03，输入腔、群聚腔和行波放大段工作于相同频率。
对于二次谐波工作的情况，选择输入腔和群聚腔工作于TE02模式，行波放大段工作于更高阶模式TE03，输入腔、群聚腔和行波放大段工作于相同频率。
对于基波的情况，使用一个输入腔、一个群聚腔和一个行波放大段的结构。输入腔工作于TE01模式，圆波导半径为0.57cm，长度为1.0cm，谐振频率34.8GHz；群聚腔工作于TE01模式，圆波导半径为0.61cm，长度为0.82cm，谐振频率35.3GHz；行波放大段工作于TE02模式，圆波导半径为1.007cm，长度为4.5cm，中心频率35GHz；工作磁场1.325T，电流8A，电压65kV，电子横向速度和纵向速度比为1.5。计算机模拟计算结果表明，所设计的回旋行波速调管是零驱动稳定的，输出功率最大为198kW，效率大于38％，3dB带宽为400MHz。
Claims (5)
1.同频异模回旋行波速调管放大器，其特征在于该同频异模回旋行波速调管放大器由一个输入腔、零个或多个群聚腔、一个或多个漂移段和一个行波放大段组成，输入腔、群聚腔和行波放大段分别通过漂移段连接成整体。
2.如权利要求1所述同频异模回旋行波速调管放大器，其特征在于输入腔、群聚腔和行波输出段工作于相同谐波，相同频率。
3.如权利要求1所述同频异模回旋行波速调管放大器，其特征在于于输入腔、群聚腔和行波输出段中工作波导模式角向指标相同。
4.如权利要求1所述同频异模回旋行波速调管放大器，其特征在于输入腔和群聚腔工作于相同的较低阶波导模式。
5.如权利要求1所述同频异模回旋行波速调管放大器，其特征在于行波输出段工作于比输入腔更高阶的波导模式。
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