一种双模回旋行波管放大器

摘要

本发明公开了一种双模回旋行波管放大器，涉及微波源器件技术，具有两段结构，第一段为线性放大段，采用损耗加载金属波导，工作在低阶模，第二段为非线性放大段，采用光滑金属波导，工作在高阶模式。线性放大段为放大器提供高增益，非线性放大段提供高功率。由于非线性放大段工作在高阶模式上，具有更大的波导横向尺寸和更高的稳定性阈值电流。本发明的双模回旋行波管放大器解决了单模放大器工作电流低，稳定性差的问题，具有更高的输出功率和更优越的稳定性，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。

权利要求

1.一种双模回旋行波管放大器，其特征在于，具有两段结构，第一段为线性放大段，采用损耗加载金属波导，工作在低阶模，第二段为非线性放大段，采用光滑金属波导，工作在高阶模式；

所述线性放大段、非线性放大段为圆金属波导，线性放大段采用损耗波导内壁涂覆有分布损耗层；线性放大段一端外设输入耦合器，线性放大段一端内轴向设置电子枪，电子枪发射端向内；线性放大段另一端与非线性放大段一端共轴固接，非线性放大段的直径大于线性放大段的直径，相接处有一环形台阶，台阶面上覆有集中衰减器，非线性放大段另一端固接有喇叭形输出耦合器；线性放大段、非线性放大段放置于外围线包或超导提供的磁场中；

所述分布损耗层为损耗陶瓷或石墨材料制作。

2.如权利要求1所述的双模回旋行波管放大器，其特征在于，所述集中衰减器为衰减材料制作的涂层，或损耗陶瓷制作的陶瓷环，或在集中衰减器的波导壁上沿径向开槽或开缝的方式引入辐射损耗。

3.如权利要求2所述的双模回旋行波管放大器，其特征在于，所述集中衰减器，用于消除放大器互作用系统中波导不连续性对注波互作用造成的不良影响；对于高平均功率工作的放大器，集中衰减器的波导外壁设有冷却水路，以保证欧姆损耗所产生的热量能够被快速传导出去。

4.如权利要求1所述的双模回旋行波管放大器，其特征在于，放大器采用特定对应关系的模式对工作：TE01-TE02模式对，该模式对在线性放大段工作在圆波导的TE01模，非线性放大段工作在TE02模。

5.如权利要求4所述的双模回旋行波管放大器，其特征在于，所述特定对应关系，是指在器件的工作频段范围内，电子束所在的径向位置模式对的两个模式都具有相近似的场分布；采用TE01-TE02模式对的94GHz放大器，在线性段的TE01模，或是在非线性段的TE02模，它们在电子束所在的中心半径0.105cm处都是圆对称的，且具有最大的场强。

说明书

一种双模回旋行波管放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及微波源器件技术领域，是一种采用多种互作用模式工作的回旋行波管放大器。

背景技术

[0002] 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。该器件具有独特的宽频带和高功率特点，这使其成为发展下一代高分辨率成像雷达首选的微波源。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，是提高该类器件功率水平，加快其工程实用化的关键。

[0003] 常规的回旋行波管放大器通常工作在互作用波导的某个低阶模式上。当器件的工作频率很高时，器件的互作用波导很小，限制了器件的功率水平。基于分布损耗方案的回旋行波管放大器的互作用波导中，高能微波主要集中在非线性放大段。因此，非线性放大段所能稳定放大的微波功率决定器件的功率量级。

发明内容

[0004] 本发明的目的是公开一种双模回旋行波管放大器，以解决单模放大器工作电流低，稳定性差的问题，并具有更高的输出功率和更优越的稳定性。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

[0006] 一种双模回旋行波管放大器，其具有两段结构，第一段为线性放大段，采用损耗加载金属波导，工作在低阶模，第二段为非线性放大段，采用光滑金属波导，工作在高阶模式。

[0007] 所述的双模回旋行波管放大器，其所述线性放大段、非线性放大段为圆金属波导，线性放大段采用损耗波导内壁涂覆有分布损耗层；线性放大段一端外设输入耦合器，线性放大段一端内轴向设置电子枪，电子枪发射端向内；线性放大段另一端与非线性放大段一端共轴固接，非线性放大段的直径大于线性放大段的直径，相接处有一环形台阶，台阶面上覆有集中衰减器，非线性放大段另一端固接有喇叭形输出耦合器；线性放大段、非线性放大段放置于外围线包或超导提供的磁场中。

[0008] 所述的双模回旋行波管放大器，其所述分布损耗层为损耗陶瓷或石墨材料制作。

[0009] 所述的双模回旋行波管放大器，其所述集中衰减器为衰减材料制作的涂层，或损耗陶瓷制作的陶瓷环，或在集中衰减器的波导壁上沿径向开槽或开缝的方式引入辐射损耗。

[0010] 所述的双模回旋行波管放大器，其所述集中衰减器，用于消除放大器互作用系统中波导不连续性对注波互作用造成的不良影响；对于高平均功率工作的放大器，集中衰减器的波导外壁设有冷却水路，以保证欧姆损耗所产生的热量能够被快速传导出去。

[0011] 所述的双模回旋行波管放大器，其放大器采用特定对应关系的模式对工作：TE01-TE02模式对，该模式对在线性放大段工作在圆波导的TE01模，非线性放大段工作在TE02模。

[0012] 所述的双模回旋行波管放大器，其所述特定对应关系，是指在器件的工作频段范围内，电子束所在的径向位置模式对的两个模式都具有相近似的场分布；采用TE01-TE02模式对的94GHz放大器，在线性段的TE01模，或是在非线性段的TE02模，它们在电子束所在的中心半径0.105cm处都是圆对称的，且具有最大的场强

[0013] 本发明的积极效果是：采用了双模工作的回旋行波管放大器，具有更高的稳定性阈值电流和更高的功率容量，器件具有更好的稳定性和更高的输出功率。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。

附图说明

[0014] 图1为本发明的一种双模回旋行波管放大器互作用系统结构示意图；

[0015] 图2为本发明的线性放大段1注波冷色散关系图；

[0016] 图3为本发明的线性放大段1注波耦合强度图；

[0017] 图4为本发明的非线性放大段2注波冷色散关系图；

[0018] 图5为本发明的非线性放大段2注波耦合强度图；

[0019] 图6为本发明的线性放大段1的微波场的冷衰减率和不稳定性增长率图；

[0020] 图7为本发明的非线性放大段2的起振长度图；

[0021] 图8为本发明的非线性放大段2的增长率图；

[0022] 图9为本发明中92.3GHz的互作用系统效率图；

[0023] 图10为本发明在0.1W的驱动下系统的输出功率图。

具体实施方式

[0024] 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。

[0025] 本发明的一种双模回旋行波管放大器，该放大器具有两段结构，线性放大段和非线性放大段。线性放大段为放大器提供高增益，非线性放大段提供高功率。

[0026] 第一段为线性放大段，采用损耗加载金属波导，工作在低阶模。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。在恰当的损耗条件下，放大器的互作用电子注在线性放大段与波导中的某个较低阶的模式互作用，将驱动功率稳定放大。在此过程中，电子注不断获得优良的群聚特性。

[0027] 第二段为非线性放大段，采用光滑金属波导，工作在与线性放大段相对应的某个高阶模式上。由于非线性放大段工作在高阶模式上，具有更大的波导横向尺寸，这提高了器件的功率容量。同时放大器的电子注与高阶模式的耦合强度相对较弱，所以器件的自激励振荡的阈值电流较高，这使得器件可以工作在更高的电流条件下，所以器件具有相对较好的稳定性。

[0028] 本发明的一种双模回旋行波管放大器就是将常规的回旋行波管放大器的非线性放大段替换成为恰当的高阶模式的波导，让群聚良好的电子注在非线性放大段与相应的高阶模式互作用，将横向动能有效地交给微波场，由于高阶模式波导具有相对更大的横向尺寸，所以该类器件具有更好的稳定性和更高的输出功率。

[0029] 为了更加清楚地阐述本发明，下文阐述的一种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-TE02模式对工作，即器件的线性放大段工作在圆波导的TE01，非线性放大段工作在TE02模。放大的设计中心频率为94GHz。

[0030] 图1给出了本发明器件结构的示意图。其中，线性放大段1，非线性放大段2，电子枪3，电子注4，磁场线包5，输入耦合器6，输出耦合器7，分布损耗层8，集中衰减器9，金属圆波导10。其中，线性放大段1、非线性放大段2为圆金属波导10，线性放大段1内壁涂覆有损耗材料构成的分布损耗层8；线性放大段1一端外设输入耦合器6，内轴向设置电子枪3，电子枪3发射端向内；线性放大段1另一端与非线性放大段2一端共轴固接，非线性放大段2的直径大于线性放大段1的直径，相接处有一环形台阶，台阶面上覆有集中衰减器9，非线性放大段2另一端固接有喇叭形输出耦合器7。

[0031] 在线性放大段1、非线性放大段2外侧，相对设置有一对磁场线包5。

[0032] 电子枪3发射出电子注4。电子注4在相对两磁场线包5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由金属圆波导10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4在线性放大段1中与TE01模互作用，不断将其中的微波能量放大，与此同时，电子注4不断群聚起来。被放大后的微波能量注入非线性放大段2，在非线性段2中激励起TE02模。群聚良好的电子注4注入非线性放大段2与非线性放大段2中的TE02模互作用，在非线性非放大段2中迅速激励起高功率微波场。所产生的高能微波通过输出耦合器7耦合出去，以备其他系统使用。需要说明的是金属圆波导10包括线性放大段1和非线性放大段2，只是波导半径不一样。集中衰减器9通常是由涂覆在非线性放大段2左断面上的衰减材料构成的，以此减小波导壁不连续性造成的影响。集中衰减器9还有其它的实现方式，如损耗陶瓷构成的陶瓷环，或在集中衰减器的波导壁上沿径向开槽或开缝的方式引入辐射损耗。该集中衰减器主要用于消除放大器互作用系统中波导不连续性对注波互作用造成的不良影响。对于高平均功率工作的放大器，该集中衰减器需要附加冷却水路或者其它的冷却措施。

[0033] 本实施例中，互作用系统的相关参数如表1所示。

[0034] 表194GHz双模回旋行波管放大器的系统参数

[0035]

[0036] 线性放大段1的注波冷色散关系和注波耦合强度分别如图2和图3所示。非线性放大段2的注波冷色散关系和注波耦合强度分别如图4和图5所示。通过上述色散关系图，可以大致确定系统所面临的竞争模式，通过注波耦合强度图，可以确定电子注引导中心的位置。选择电子注引导中心0.105cm，可以保证电子注在线性放大段1与工作主模TE01模有较强的耦合，又可以保证电子注在非线性放大段2与工作主模TE02模有较强的耦合。在当前的工作参数条件下，线性放大段1通过分布损耗层8抑制自激励振荡，而非线性放大段则通过缩短互作用回路以抑制自激励振荡。

[0037] 线性放大段1的内壁涂覆分布损耗层8通常用石墨材料制作而成。强损耗的线性放大段1中，工作主模TE01模的冷衰减率约为7dB/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。在当前的工作参数条件下，电子注4与线性放大段1中的TE01模互作用可以产生约4.5dB/cm的增长率。因此，线性放大段1可以产生约60dB的增益。

[0038] 线性放大段2为光滑圆波导，群聚后的电子注在该部分与TE02模进行强烈的互作用，将微波场迅速放大。由于系统电流较高，容易激励起TE02模自激振荡。在当前系统参数条件下，TE02模自激振荡的起振长度随工作电流的变化如图7所示。非线性放大段2的增长率可以达到5dB/cm，因此2cm的非线性放大段2可以提供约10dB的总体增益。

[0039] 综合图2到图8考虑，系统总体增益可以达到60dB。我们采用频域稳态粒子追踪算法，对互作用系统进行总体模拟。为了增强系统的互作用效率和进一步提高系统的稳定性，非线性放大段2的磁场线性减小4％。系统模拟结果如图9和图10所示。系统在0.1W的驱动功率下，可以输出的功率为248kW(92.3GHz)，增益为64dB，效率高达24.8％。系统在0.1W的等激励条件下输出的输出功率如图10所示。

[0040] 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。