螺旋腔正交场振荡器特性的初步分析

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1、电子科技大学硕士学位论文奥卡贝(Okabe)，哈班(HaBahn)，荷尔曼(Hollmann)都为磁控管的早期工作起过重大作用。到40年代发明了多腔磁控管技术，使其输出功率达到IOKW量级并迅速获得了工程应用。以磁控管为功率源的雷达在二战中发挥了十分重要的作用。二战以后，磁控管技术不断成熟，发展了先进的模式选择技术如隔膜带技术、异腔磁控管技术等，为了适应电子战的需求发展了捷变频磁控管，为进一步改进性能以克服某些不足，又发展了同轴磁控管、外注入式磁控管、反磁控管。技术上的不断进步使磁控管成为体积小，效率高，价格低

2、廉，使用方便的最成熟的微波源之一。目前，它不仅随微波炉走进了千家万户，而且继续在工业设备和雷达设备中发挥重要作用。目前，普通磁控管的功率已达lOiW，效率已达80％以上，脉冲工作与连续波工作均有很好的记录【31。相对论磁控是普通磁控管在高压、大电流方向的直接外推，其特点是将现代脉冲功率技术与爆炸发射阴极技术用到磁控管中，利用数百千伏以上电压，数十KA电流驱动磁控管，以获得数百至数千MW的微波辐射。1975年，科学家Bekefi和Orzechowski研制出了第一只相对论磁控管【4棚，在4．6GHz下取得了900

3、MW的峰值功率。如此高的峰值功率引起研究者们的极大注意，由于看到它的巨大应用潜力，美国和前苏联等国家投入大量的资金，并制定了详细的计划对其进行研究，相对论磁控管取得了长足的发展，不但频谱扩展到卜IOGHz的范围，峰值功率与平均功率得到数量级的提高，而且在诸如锁相、调谐、永磁包装等领域的研究，都取得了良好的结果。上世纪70年代末与80年代初，前苏联的相对论磁控管研究工作十分活跃，最高的峰值功率由位于Tomsk的核物理研究所的A．N．Didenko研究小组报导，他们采用两端封闭的六腔磁控管在2．9GHz获得IOGW

4、的功率，总效率为43％，是目前见于报导的功率最高的相对论磁控管。位于高尔基城的俄罗斯科学院应用物理研究所N．F．Kovalev小组研究了具有绕射辐射输出的磁控管，获得了4GW功率输出，波长为3．25cm，总效率达11％，是Pd指标最高的磁控管。前苏联学者也注意到管中的脉冲缩短限制，并采用反磁控管【7】产生了微秒级微波振荡，核物理研究所还研制了首只相对论异腔磁控管，采用12腔在12．7cm产生了8．3GW的微波辐射。前苏联学者还进行了用感应加速器驱动RM的实验。在此期间，相对论磁控管是输出功率最高的相对论器件。这

5、些成果鼓舞了人们的研究热情，他们期望，随着研究工作的深入与技术水平的提高，RM的功率、效率水平还可以大幅增长。80年代中后期，相对论磁控管的研究热潮转移到美国，最典型的工作是国际物理公司(PI)小组的研究。他们在紧凑型直线感应加速器上实现了相对论磁控管2第一章绪论的高峰值功率与高平均功率运行【8】，在100Hz重频下，L波段获得了1GW的脉冲功率，并创造了平均功率6．3kW的记录，峰值效率和能量效率分别达到了13．6％和9．8％。PI小组还研究了不同阴极形式【9】和多端口输出【10】对磁控管功率与效率的影响，当

6、六端口输出时采用垫圈式阴极在4．5GHz获得了6．9GW的总功率输出，他们获得的径向电功率向微波的转换效率在10—35％之间变化。PI小组的相对论磁控管锁相研究将相对论磁控管研究推向了高峰。他们研究了4管、7管强耦合互锁，希望获得可与低阻抗大电流加速器匹配的超高功率的HPM源，实验证实了原理上的可行性，观测到锁相并获得2．9GW的总功率输出。但这远远低于预期，此项研究没有继续获得足够的经费支持。为提高相对论磁控管的功率与效率，还研究过多达52腔的结构和热阴极结构，但随着技术成熟效率不断提高的过程没有出现。相反，

7、采用更先进的装备，更严格的测试手段后，大量实验的效率在百分之十几，低效率成为制约相对论磁控管走向实用的重要缺点【¨】。在其后一段时间，兴趣转到了对实用器件的研究上，从I公司研制了以A6磁控管为HPM源的移动式发射机，MTD一1，总重2200Kg。PI公司研制了可调谐相对论磁控管，采用机械调谐的十腔旭日型结构达到了33％的调谐范围，3只管可完全覆盖1--3GHz频段，输出功率400-600MW，且实现了100Hz重复脉冲工作。我国电子科技大学研制了S波段永磁包装相对论磁控管，在S波段获得了430MW的输出功率，装

8、置重约70kg。研究表明还有功率提升潜力。我国从1993年起开展了相对论磁控管的研究工作，先后研制了S波段相对论磁控管【12】与S波段永磁包装相对论磁控管，最近还研制成功了功率超过1GW的可调谐RM，对导致RM低效率的原因也进行了深入研究。在经过近三十年的探索之后，人们发现RM的一个突出优点是可调谐性，单只管子的调谐范围已达到35％，而且还有可能进一步提高，这是除虚阴极器件之外其它HP