一种分布式放大回旋行波管放大器

摘要

一种分布式放大回旋行波管放大器，有两段结构，第一段为线性放大段，用光滑圆波导与损耗介质波导交替加载结构；第二段为光滑圆波导的非线性放大段。线性段中光滑波导与电子注同步，发生电子回旋脉塞互作用，而损耗介质波导中的模式与电子注不同步，无净得能量交换，而高频场被损耗材料吸收；使电子注在光滑波导中发生互作用，在损耗波导中漂移。因此线性段是预群聚段，有高稳定性。回旋电子注在线性段被驱动功率充分调制，群聚良好的电子注在非线性段与工作模式激烈作用，将横向动能转化成微波能量获得高能微波输出。线性段的损耗介质波导能够有效吸收竞争模式，保证器件的稳定性，非线性段用预群聚电子注工作，具有高功率、高稳定性、高效率。

权利要求

1.一种分布式放大回旋行波管放大器，采用两级回路，包括线性放大段，非线性放大段；其特征在于，线性放大段的金属圆波导外周缘外壁面上环设有多数个环状损耗介质加载波导，环状损耗介质加载波导两两之间采用金属圆波导间隔，构成交替的周期结构；电子注在线性放大段的金属圆波导内能够与电子注发生电子回旋脉塞互作用；而损耗介质加载波导中，电子注与工作模式不同步，主要是漂移作用；整个线性放大段使电子注产生良好的预群聚作用，群聚良好的电子注在非线性放大段产生剧烈回旋电子脉塞互作用，产生高能微波输出；

所述的周期结构中金属圆波导的内半径由注波同步条件确定；损耗介质加载波导的内半径与金属圆波导的内半径相等，损耗介质加载波导的介质层厚度由工作模式确定，其厚度使得工作模在损耗介质层中的色散曲线低于电子注的回旋谐波曲线；

所述损耗介质加载波导与金属圆波导占据的长度相当，均为1cm；

所述线性放大段的损耗介质加载波导采用BeO-SiC陶瓷或AlN-SiC陶瓷制作。

2.根据权利要求1所述的分布式放大回旋行波管放大器，其特征在于，包括：电子枪，电子注，输入耦合器，磁场线包，输出耦合器；其中：一线性放大段、一非线性放大段都采用光滑金属圆波导，顺序相连，非线性放大段出口与输出耦合器固接；线性放大段、非线性放大段、输出耦合器共一中轴线；电子枪位于线性放大段入口中轴线上；输入耦合器位于线性放大段入口处外侧壁，磁场线包环包覆于线性放大段、非线性放大段外周圆。

说明书

一种分布式放大回旋行波管放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及微波源器件技术领域，是一种采用分布式放大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，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。

[0003] 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有点。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放大段与光滑波导的非线性放大段。现有技术表明采用损耗介质波导和金属环交替加载的损耗波导能够作为理想的分布损耗波导，作为回旋行波管放大器的线性段。通过恰当地构建损耗介质波导，介质波导中能够传输一个高阶模式，真空区域的模式分布与光滑波导中的模式分布一致，且能够与电子注同步。为了减少波导中介质内表面介质产生静电积累，采用金属环将波导周期截断。介质加载波导具有优秀的模式选择能力，能够对工作模式提供可控制的衰减，能够抑制器件中的自激振荡，保证工作模式稳定放大。但是由于加工工艺、材料的组分、器件的工作温度等许多因素对介质的性质都有显著的影响，器件的互作用系统受到材料参数的影响，性能不稳定。

发明内容

[0004] 本发明的目的是公开一种新型的分布式放大回旋行波管放大器，具有高稳定性的特点，并具有高的工作参数稳定性和良好的容差能力。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

[0006] 一种分布式放大回旋行波管放大器，采用两级回路，包括线性放大段，非线性放大段；其线性放大段的金属圆波导外周缘外壁面上环设有多数个环状损耗介质加载波导，环状损耗介质加载波导两两之间采用金属圆波导间隔，构成交替的周期结构；电子注在线性放大段的金属圆波导内能够与电子注发生电子回旋脉塞互作用；而损耗介质加载波导中，电子注与工作模式不同步，主要是漂移作用；整个线性放大段使电子注产生良好的预群聚作用，群聚良好的电子注在非线性放大段产生剧烈回旋电子脉塞互作用，产生高能微波输出。

[0007] 所述的分布式放大回旋行波管放大器，其所述的周期结构中金属圆波导的内半径由注波同步条件确定；损耗介质加载波导的内半径与金属圆波导的内半径相等，损耗介质加载波导的介质层厚度由工作模式确定，其厚度应该使得工作模在损耗介质层中的色散曲线低于电子注的回旋谐波曲线。

[0008] 所述的分布式放大回旋行波管放大器，其所述线性放大段的损耗介质加载波导采用BeO-SiC陶瓷或AlN-SiC陶瓷制作。

[0009] 所述的分布式放大回旋行波管放大器，其包括：电子枪，电子注，输入耦合器，磁场线包，输出耦合器；其中：一线性放大段、一非线性放大段都采用光滑金属圆波导，顺序相连，非线性放大段出口与输出耦合器固接；线性放大段、非线性放大段、输出耦合器共一中轴线；电子枪位于线性放大段入口中轴线上；输入耦合器位于线性放大段入口处外侧壁，磁场线包环包覆于线性放大段、非线性放大段外周圆。

[0010] 本发明的积极效果是：在分布衰减的基础上发展的金属圆波导和损耗介质波导周期加载的线性段的回旋行波管放大器，高频场在每级金属波导中与回旋电子注发生回旋电子脉塞互作用，不断被放大，同时该放大被周期间隔的损耗介质波导周期截断，形成分布式放大链路。由于损耗介质波导仅作为损耗波导用，该系统不但能够抑制各种振荡，稳定放大工作模式，同时线性段还具有高的工作参数稳定性和容差能力。

附图说明

[0011] 图1为本发明的一种分布式放大回旋行波管放大器结构示意图；

[0012] 图2A为金属圆波导1的横截面图；

[0013] 图2B为损耗介质加载波导2的横截面图；

[0014] 图3为互作用单元的结构示意图；

[0015] 图4为金属圆波导1和非线性放大段4中的冷色散关系示意图；

[0016] 图5为94GHz损耗介质加载波导2中介质层厚度对传输常数的影响示意图；

[0017] 图6为94GHz损耗介质加载波导2中介质层厚度对模式衰减的影响示意图；

[0018] 图7为损耗介质加载波导2的冷色散关系示意图；

[0019] 图8为损耗介质加载波导2的衰减特性示意图；

[0020] 图9为放大功率的轴向场型示意图；

[0021] 图10为器件的饱和输出功率。

具体实施方式

[0022] 本发明的一种分布式放大回旋行波管放大器，具有两段结构，线性放大段和非线性放大段。

[0023] 第一段为线性放大段，采用周期的金属圆波导和损耗介质加载波导的结构。高频场在每级金属波导中与回旋电子注发生回旋电子脉塞互作用，不断被放大，同时也不断调制回旋电子注，使其不断群聚起来。

[0024] 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。

[0025] 本发明的一种分布式放大回旋行波管放大器，采用周期结构的线性段，每个周期由一段金属圆波导和一段损耗介质波导构成，每段金属波导中可以产生回旋电子脉塞互作用，而介质波导主要提供衰减作用，抑制自激振荡。因此，该线性段中的高频场在每段金属段被放大，一级一级构成分布式放大链路，该链路由介质波导的衰减作用切断。群聚的电子注携带的高频信息能够在每一段激励起高频场，不断增强自身的群聚。每段金属波导足够短，自激振荡模式不能建立起稳定的场型，加上损耗介质的衰减作用，所以系统具有高稳定性。损耗介质材料性质的变化对高频场的衰减作用影响不大。所以基于该方案的回旋行波管放大器不仅具有高稳定性，而且还能改善系统的工作参数的稳定性和容差能力。

[0026] 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。

[0027] 为了更加清楚地阐述本发明，下文阐述的分布式放大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模式工作，即器件的互作用系统的线性放大段和非线性放大段都工作在圆波导的TE01模。放大的设计中心频率为94GHz。

[0028] 图1为本发明的一种分布式放大回旋行波管放大器结构示意图。

[0029] 图1中，金属圆波导1，损耗介质加载加载波导2，线性放大段3，非线性放大段4，电子枪5，电子注6，输入耦合器7，磁场线包8，输出耦合器9。图2进一步给出了金属圆波导1与损耗介质加载波导2的横截面图，二者具有相同的内半径a。金属圆波导1与损耗介质加载波导2采用如图3所示的方式直接级联起来，构成一个互作用单元。再将多个互作用单元顺序级联起来构成线性放大段3。线性放大段3之后连接非线性放大段4。电子枪5发射出电子注6。电子注6在磁场线包8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3。电子注在每级金属波导1中与高频场发生电子回旋脉塞互作用，中间间隔的损耗介质加载波导2起衰减作用，将放大链路切断，形成分布式放大链路。电子注在线性放大段3逐渐群聚起来，群聚起来的电子注6注入非线性放大段4，在非线性放大段4发生剧烈的回旋电子脉塞互作用，激励起高能微波。高能微波和电子注6进入输出耦合器9，由于在输出耦合器9注波相位同步丢失，高能微波从输出耦合器9输出。高能微波通过输出耦合器9馈入下一级应用系统。

[0030] 本实施例中，器件的互作用系统的相关参数如表1所述。

[0031] 表1 94GHz分布式放大回旋行波管放大器的系统参数

[0032]电子注负高压：-100kV 电子注电流：10A
电子注横纵速度比：1.0 均匀区磁场：3.564T
金属圆波导1半径：0.201cm 金属圆波导1长度：1cm
损耗介质加载加载波导2内半径a： 损耗介质加载加载波导2长度：1cm
0.201cm
损耗介质加载加载波导2外半径b： 线性段周期结构：5个周期
0.276cm
非线性放大段长度：2cm 电子注4引导中心半径：0.1cm
损耗介质材料BeO-SiC：7.11-0.7j

[0033] 图4金属圆波导1和非线性放大段4中的冷色散关系示意图。由该图可以看到器件的互作用系统工作在基波TE01模式。同时受到基波TE11模和基波TE21模式在返向波区域的潜在的自激振荡的影响。二次谐波TE02也可能产生自激振荡。

[0034] 图5和图6分别给出94GHz频率上，损耗介质加载波导2中介质层厚度对波导模式的传输特性的影响。随介质层的增加，工作模式TE01模传输常数增加，且衰减量也快速增加，这表明TE01模主要场型分布在介质层中了，受到重衰减。原本截止的TE02模随介质层逐渐获得传输特性，受到的衰减量达到一个极小值。这表明TE02模的主要功率集中在波导的中空区域，而处于介质层中的能量较小。当介质层的厚度为0.75mm时，TE02模受到的衰减量约7dB/cm。且从图7和图8的色散关系和衰减量可以保证器件的互作用系统稳定工作，损耗介质加载波导2中的TE01模远低于电子注回旋基波，且受到衰减量高于15dB/cm，所以损耗介质加载波导2中的TE01对工作模式的扰动可以忽略。而TE02模的色散曲线稍低于回旋基波，因此电子注和损耗介质加载波导2中的TE02模总体上不会有静的能量交换，这可以保证高频能量能被损耗介质吸收。且介质层为0.75mm时，损耗介质加载波导2中94GHz附近TE03模还处于截止频率，对互作用系统的影响可以忽略。综合考虑这三个模式的影响，可以认为回旋电子注在金属波导1中仅与工作模式TE01模互作用，而损耗介质加载波导2中与TE02模互作用。

[0035] 本发明的关键之一是损耗介质加载波导2中介质层的厚度的选取。介质层的厚度应该使得损耗介质加载波导2中工作模式的色散曲线靠近且略低于电子注回旋谐波曲线，如图7所示。损耗介质加载波导2中的工作模式TE02模靠近且略低于电子注回旋基波的曲线。

[0036] 虽然线性段3是由周期交替的金属圆波导1和损耗介质加载波导2构成，但是周期长达20mm，且金属圆波导1和损耗介质加载波导2的连接处反射较小，高频场的周期性可以忽略，认为工作模式在金属圆波导1中是行波TE01模，在损耗介质加载波导2中是行波TE02模。根据上述分析，金属圆波导1中的两个低阶竞争模式TE11和TE21模在损耗介质加载波导2中对应于HE12和HE22模式。这两个模式的起振频率分别是66.61GHz和75.73GHz，衰减分别是3.94dB/cm和14.52dB/cm。HE22模式的衰减较强，在损耗介质加载波导2中被完全吸收，不会产生自激振荡。而HE12模式的起振长度较长，而金属波导1太短，且损耗介质加载波导2的衰减作用把HE12模式的反馈链路切断，所以HE12模式不能起振。由此，表明该系统具有高稳定性。

[0037] 根据稳态粒子追踪理论，计算得到系统在93GHz，以0.1W的驱动功率驱动的增益曲线如图9所示。互作用系统的结构可以从图9中的衰减率曲线看出来，金属波导1和非线性放大段4都是金属圆波导构成，所以无损耗。损耗介质加载波导2中工作模式TE02模受到衰减，所以有衰减的地方表明是损耗介质波导。互作用中的高频场分为前向波和返向波。在金属波导1中的电子注6与前向波同步，所以群聚后的电子注6在每一级金属波导1中与前向波都可以获得非线性放大。而进入损耗介质加载波导2，前向波受到快速衰减。
由于金属圆波导1和损耗介质加载波导2的连接处的不连续性，前向波和反向波之间在这些连接处存在相互之间的能量转换。电子注6在一级一级的金属波导的分布式放大过程中不断被群聚起来，群聚起来的电子注6进入非线性段4，与TE01模互作用，快速地激励起高能微波。由此可见，系统的放大特性是由金属圆波导1提供，损耗介质加载波导2的衰减作用受工作温度，材料参数，几何尺寸变化的影响很小，因此系统的工作参数具有高稳定性。

[0038] 最后器件的饱和输出功率如图10所示。该系统可以获得的最高输出功率约320kW，对应于互作用效率32％。在92～97GHz的频率范围内，其输出功率都高于200kW。

[0039] 本发明的关键之二是周期交替的金属圆波导1和损耗介质加载波导2的长度选取。对于每一段金属圆波导1其长度必须比工作模式的起振长度短，以防止工作模式起振。但是太短的金属波导1会使得每段的群聚作用不够，影响最后非线性放大段4的放大特性。
每段损耗介质加载波导2的长度则是由稳态粒子追踪理论计算得到的。根据图9可以看到在每段损耗介质加载波导2中高频场都会骤然降低。损耗介质加载波导2的长度应该在这个最小值附近。

[0040] 需要进一步说明的是线性段3的主要作用是完成电子注6的群聚作用。本发明通过损耗介质加载波导2将金属圆波导1周期截断，如此使得金属圆波导1构成分布放大链路。因此损耗介质加载波导2的作用主要完成衰减作用，电子注6在其中主要是完成漂移作用。损耗介质加载波导2除了用损耗陶瓷BeO-SiC外，还可以用AlN-SiC材料代替。

[0041] 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。