CN102005354A

CN102005354A - 预群聚高功率回旋行波管放大器

Info

Publication number: CN102005354A
Application number: CN200910091966XA
Authority: CN
Inventors: 杜朝海; 刘濮琨
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2029-09-02
Also published as: CN102005354B

Abstract

本发明公开了一种预群聚高功率回旋行波管放大器，涉及微波源器件技术，具有三段结构，第一段为线性放大段，采用损耗加载金属波导；第二段为惯性漂移段，采用重损耗加载过模波导，为群聚电子注提供近似零场惯性群聚空间；第三段为非线性放大段，采用光滑金属波导。回旋电子注在线性段受到驱动功率的充分调制，调制后的电子注在惯性漂移段依据惯性获得优良的群聚特性，群聚良好的电子注在非线性放大段与工作模式激烈地作用，将横向动能转化成微波能量，获得高能微波输出。本发明的线性放大段与惯性漂移段都是损耗回路，保证器件的稳定性，非线性放大段采用预群聚电子注工作，具有高功率，高稳定性、高效率和高功率的优点。

Description

预群聚高功率回旋行波管放大器

技术领域

本发明涉及微波源器件技术领域，是一种采用群聚段的回旋管放大器。

背景技术

二十世纪五十年代后期，电子回旋脉塞互作用原理被发现，基于该原理的高能微波源在理论和实验上都得到深入的研究，这些高能微波源在当今的雷达通讯、定向能武器、高梯度加速器等方面得到广泛地应用。回旋行波管放大器是一种基于电子回旋脉塞原理的放大器，经过近半个世纪的发展该类器件仍然受到稳定性的严重影响，难以实现工程化。因此，解决回旋行波管放大器稳定性问题和提高该类器件功率水平，是加快其工程实用化的关键。

现有技术表明，采用分布损耗技术的回旋行波管放大器具有高稳定的优点。目前采用分布损耗技术的回旋行波管放大器通常具有两级回路，即分布损耗技术加载的线性增长段与光滑波导的非线性放大段。由于器件在放大驱动功率以后，在非线性段放大段具有很高的功率，所以紧临非线性放大段的线性增长段末端需要耗散较高的微波功率，转换成热能。以Ka波段的TE11模回旋行波管放大器为例子说明：如果器件采用连续波工作，具有100kW的输出功率，某些频率上，在线性增长段的末端约4cm的长度上，会损耗高达约20kW微波功率；器件互作用波导的内壁约为2.7mm，估算可得波导内壁的功率损耗率约3kW/cm²；而现有的冷确技术能够保证的安全阈值约300～500kW/cm²。通常情况下，回旋行波管放大器分布损耗段的末端的需要损耗的功率约为器件输出功率的5％，这些因素限制的器件的输出功率水平。为了提高器件的功率水平，需要采用相应的技术，以降低线性增长段末端(加载分布损耗)的功率散率。

发明内容

本发明的目的是公开一种预群聚高功率回旋行波管放大器，具有高稳定性、高效率和高功率的优点。预群聚高功率回旋行波管放大器是一种极具发展潜力的高功率毫米波源，在我国高分辨率远程雷达等重要国防领域极具发展前景。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种预群聚高功率回旋行波管放大器，包括电子枪、输入耦合器、磁场线包、输出耦合器；其行波管放大器腔体为三段结构，第一段为线性放大段，采用分布损耗加载金属波导；第二段为惯性漂移段，采用重损耗加载过模波导，为群聚电子注提供近似零场惯性群空间；第三段为非线性放大段，采用光滑金属波导；线性放大段内壁设有分布损耗层，惯性漂移段内壁设有重损耗层；

三段顺序固接，共中轴线；

入口中轴线上设电子枪，出口固接输出耦合器。

线性放大段和非线性放大段的直径相等，惯性漂移段的直径为线性放大段直径的1～3陪。

所述的回旋行波管放大器，其所述线性放大段、非线性放大段的半径为0.201cm，惯性漂移段的半径为0.550cm；线性放大段、惯性漂移段的长为5.8cm，非线性放大段的长为2.4cm；

电子枪引导中心半径为0.097cm。

所述的回旋行波管放大器，其所述分布损耗层电阻率为150000倍铜电阻率，采用石墨涂层、BeO-SiC或AlN-SiC损耗陶瓷层制作。

所述的回旋行波管放大器，其所述重损耗层为损耗陶瓷，采用AlN-SiC陶瓷制作，相对介电常数为11～3.3j，厚度1mm。

所述的回旋行波管放大器，其在94GHz双模回旋行波管放大器中使用时，电子注负高压为-100kV，电流10A。

本发明的积极效果是：在常规的两段式结构的分布损耗回旋行波管放大器中间增加一重损耗加载的且大尺寸的惯性漂移段，为预调制后的电子注提供一近似零场的惯性群聚空间。在惯性漂移段由于没有注波互作用，所以除了线性放大所产生的微波能量之外，惯性漂移段不会有损耗其他附加的能量，所以该技术避免了常规两段式结构的分布损耗技术在线性放大段末端具有高微波能量损耗的缺点，降低了对冷却技术的要求，且在保证系统高稳定性的前提下，提高了系统的整体效率。

附图说明

图1本发明的一种预群聚高功率回旋行波管放大器结构示意图；

图2线性放大段1注波冷色散关系；

图3线性放大段1和非线性放大段3中的增长率；

图4线性放大段1中的增益场型；

图5惯性漂移段2中的竞争模式；

图6惯性漂移段2中的～TE03模的衰减情况；

图7互作用系统中的功率场型；

图8互作用系统中的效率场型；

图9器件的带宽特性。

具体实施方式

本发明的预群聚高功率回旋行波管放大器，具有三段结构：

第一段为线性放大段，采用分布损耗加载金属波导。金属波导通常为圆波导，波导内壁通过涂覆损耗材料，或者加载一层损耗陶瓷，构成分布损耗。分布损耗加载的线性线性放大段具有高稳定性的优点，能够保证回旋电子注获得输入功率的充分预调制。

第二段为惯性漂移段，采用重损耗加载过模波导。重损耗加载过模波导能够充分地吸收各种振荡模式，为预调制之后的电子注提供近似零场的惯性群聚空间，使之获得优良的群聚特性。过模波导使得惯性漂移段的横向尺寸比线性放大段大很多，此外重损耗加载技术使得惯性漂移段的高频场近似为零。这些都降低了这部分波导的功率损耗率，是提高器件功率水平的关键。回旋电子注在惯性漂移段获得较好的惯性群聚特性，这补偿的线性放大段群聚不足的问题，是保证器件高性能的关键。

第三段为非线性放大段，采用光滑金属波导，工作在与线性放大段相对应的某个模式上。群聚良好的回旋电子注已经携带了高频信息，在非线性放大段迅速地激励起高能微波。随着微波的增强互作用强度也相应地变强。经过充分的互作用，在互作用段的末端回旋电子注将主要的横向动能交给微波，且注波互作用分离。

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

为了更加清楚地阐述本发明，下文阐述的双模回旋行波管放大器工作在回旋电子注的基波，采用圆波导TE01模式对工作，即器件的线性放大段和非线性放大段都工作在圆波导的TE01。放大的设计中心频率为94GHz。图1给出了器件结构的示意图。

图1中，1为线性放大段，2为惯性漂移段，3为非线性放大段，4为电子枪，5为电子注，6为输入耦合器，7为磁场线包，8为分布损耗层，9为重损耗层，10为输出耦合器。电子枪4发射出电子注5。电子注5在磁场线包7所产生的强磁场的作用下，逐渐回旋起来，达到恰当的运动状态之后注入线性放大段1。线性放大段1实际是有金属圆波导内壁加载一层分布损耗层8构成。较低功率量级的微波通过输入耦合器6馈入线性放大段1，在线性放大段1中激励起TE01模式。电子注5在线性放大段1中与TE01模互作用，输入功率将高频信息调制到电子注5上，这称为预调制。被调制的电子注5不断群聚起来。线性放大段1被放大的微波能量与被调制后的电子注5一并注入惯性漂移段2。由于惯性漂移段2的内壁加载重损耗层9，所以线性放大段的输入功率将被重损耗层9完全吸收。惯性漂移段2由一横向大尺寸的圆柱波导构成，重损耗层9使得其中不存在任何可以与电子注互作用的微波模式，所以预群聚之后的电子注5在惯性漂移段可以安静地漂移，由于电子的惯性获得良好的群聚特性。通常情况下，惯性漂移段的直径为线性放大段1的直径的1～3倍。非线性放大段3是由光滑的金属圆波导构成，波导内壁没有加载任何损耗煤质，所以群聚良好的电子注5注入非线性放大段3后与其中的工作模式进行剧烈地互作用。最后电子注5的大部分横向动能都交换给微波场。高能微波场在输出耦合器10中与电子注不再同步，注波互作用分离。高能微波通过输出耦合器10馈入下一级应用系统。

本实施例中，我们以工作在94GHz的回旋行波管放大器为例。其互作用系统的相关参数如表1所述。

表1 94GHz双模回旋行波管放大器的系统参数

互作用系统的注波冷色散关系如图2所以。由图可以看到电子注回旋谐波基波与低阶的TE11和TE21模式在返波区域相交。为了抑制线性这两个竞争模式，放大段1的内壁涂覆分布损耗层8以吸收寄生振荡的功率。分布损耗层8通常用石墨材料制作而成。损耗层的电阻率达到150000倍铜电阻率，工作主模TE01模的冷衰减率约为10dB/cm(94GHz)，可以有效抑制工作模式和其他竞争模式所引起的自激振荡。分布损耗层8除了采用石墨材料外，还可以采用BeO-SiC和AlN-SiC等损耗陶瓷代替。在当前的工作参数条件下，电子注5与线性放大段1中的TE01模互作用可以产生约6.5dB/cm的增长率，电子注5与非线性放大段3中的TE01模互作用可以产生约9dB/cm的增长率。线性放大段在5W的驱动功率下，微波的功率场型如图4所示。为了有效控制惯性漂移段的衰减情况，将线性放大段的长度控制在5.8cm。

损耗介质加载的惯性漂移段2实际上是一段介质加载波导。在损耗介质加载的圆波导中，非角向对称的模式通常都受到很高的衰减，不会对注通道形成影响。因此，仅分析圆电模式对电子注的影响。在本设计下，惯性漂移段2中的注波冷色散关系如图5所示。在惯性漂移段2内最重要的模式类似于TE03模(仅中空部分的分布)，我们用～TE03模来代表这个最具影响的模式。当取介质层厚度为0.1cm时，～TE03模在频带内的传输特性如图6所示。结合图5和图6可以看到，在注波相交点，即～TE03模的反向波区域，～TE03模受到高达23dB/cm的衰减，所以不会在该频率上造成寄生振荡。而在工作频带内，～TE03模与电子注不同步，所以回旋电子注不会通过注波互作用把能量交给～TE03模。且在工作频率91GHz～100GHz的频率范围内～TE03模会受到约5dB/cm的衰减量。因此在惯性漂移段2内，微波能量不会对电子注形成有效影响。

根据稳态粒子追踪理论，仿真器件的性能。仿真中忽略惯性漂移段2与线性放大段1和线性放大段2之间的不连续性引起的高阶模式。该放大器在5W的驱动功率条件下，互作用回路中微波功率场型如图7所示，互作用系统的效率如图8所示。结合图7和图8可以看到群聚后的电子注在非线性放大段3和高能微波剧烈地互作用，电子快速地将能量转移给微波场。器件在当前参数下可以输出功率达到395.8kW的输出功率，对应于39.8％的互作用效率。电子注约有0.74％的微波功率被损耗材料吸收，在惯性漂移段2中对应于约50W/cm²的损耗功率。该损耗率比当前冷却技术的上限低1个数量级，可以保证器件连续波工作。

该放大器在4W的驱动功率下，其带宽特性如图9所示。在具有良好的初始电子注的条件下，该放大器可以在很宽的频带范围内互作用效率高于30％，且损失在惯性漂移段2内的微波损耗功率相当于电子注能量的0.5％以下。

本发明的预群聚高功率回旋行波管放大器，第一段为线性放大段1，采用损耗加载金属波导；第二段为惯性漂移段2，采用重损耗加载过模波导，为群聚电子注提供近似零场惯性群空间；第三段为非线性放大段3，采用光滑金属波导。回旋电子注在线性段受到驱动功率的充分调制，调制后的电子注在惯性漂移段依据惯性获得优良的群聚特性，群聚良好的电子注在非线性放大段与工作模式激烈地作用，将横向动能转化成微波能量获得高能微波输出。线性放大段与惯性漂移段都是损耗回路，保证器件的稳定性，非线性放大段采用预群聚电子注工作，具有高稳定性、高效率和高功率的优点。

本发明以94GHz的回旋行波管放大器为例进行阐述其实施方法。基于本发明提出的方案和实施例所阐述的方法，可以设计35GHz、140GHz，或其他频率工作的预群聚回旋行波管放大器。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种预群聚高功率回旋行波管放大器，包括电子枪、输入耦合器、磁场线包、输出耦合器；其特征在于，行波管放大器腔体为三段结构，第一段为线性放大段，采用损耗加载金属波导；第二段为惯性漂移段，采用重损耗加载过模波导，为群聚电子注提供近似零场惯性群聚空间；第三段为非线性放大段，采用光滑金属波导；

线性放大段内壁设有分布损耗层，惯性漂移段内壁设有重损耗层；

三段顺序固接，共中轴线；

入口中轴线上设电子枪，出口固接输出耦合器。

2.如权利要求1所述的回旋行波管放大器，其特征在于，所述线性放大段和非线性放大段的直径相等，惯性漂移段的直径为线性放大段直径的1～3陪。

3.如权利要求1所述的回旋行波管放大器，其特征在于，所述线性放大段、非线性放大段的半径为0.201cm，惯性漂移段的半径为0.550cm；线性放大段、惯性漂移段的长为5.8cm，非线性放大段的长为2.4cm；电子枪引导中心半径为0.097cm。

4.如权利要求1所述的回旋行波管放大器，其特征在于，所述分布损耗层电阻率为150000倍铜电阻率，采用石墨涂层、BeO-SiC或AlN-SiC损耗陶瓷层制作。

5.如权利要求1所述的回旋行波管放大器，其特征在于，所述重损耗层为损耗陶瓷，采用AlN-SiC陶瓷制作，相对介电常数为11～3.3j，厚度1mm。

6.如权利要求1所述的回旋行波管放大器，其特征在于，在94GHz双模回旋行波管放大器中使用时，电子注负高压为-100kV，电流10A。