94GHz漸變復合腔回旋管的設計與實(shí)驗

　　根據注-波互作用自洽非線(xiàn)性理論，設計了一種二次諧波回旋管的漸變復合腔結構，并進(jìn)行了數值模擬;通過(guò)采用波紋波導結構和不同的相位重匹配技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，設計了一種94GHz波紋波導模式轉換器;根據模擬計算結果研制出了94GHz漸變復合腔二次諧波回旋管。實(shí)際測試的結果表明：所研制的回旋管在電子注電壓50kV，電流8.8A，工作磁場(chǎng)1.56T時(shí)工作頻率為94.2GHz，峰值輸出功率為115kW，平均輸出功率為3kW，效率為26%。

　　毫米波波束窄、分辨能力強、方向性強、能量密度大、抗干擾能力強，在高分辨率雷達、衛星通信、導彈末端制導、電子對抗、毫米波輻射武器、電磁能量定向傳輸等領(lǐng)域具有突出的優(yōu)點(diǎn)，尤其是高功率毫米波。因而，對產(chǎn)生高功率毫米波的高功率毫米波源的研制尤為重要，已經(jīng)引起國際上的普遍重視。94GHz是毫米波傳播的大氣窗口之一，目前國內在這一頻段的高功率微波發(fā)射系統的研制工作還處于起步階段，與國際先進(jìn)水平尚有較大差距。在頻段上，與毫米波源較接近的有傳統微波管和激光器兩個(gè)領(lǐng)域。

　　傳統微波管的工作頻率與其高頻系統的尺寸具有共度性，所以當傳統微波管向毫米波等更高的頻段發(fā)展時(shí)，其高頻系統的尺寸越來(lái)越小，以至于無(wú)法加工制造;同時(shí)，由于高頻結構尺寸過(guò)小，允許通過(guò)的電子流很小，從而使得傳統微波管在毫米波段的功率容量受到很大限制;激光器雖然在更高的頻段實(shí)現了電磁輻射，但是當它向毫米波段擴展時(shí)，工作效率將急劇下降，以至于不可實(shí)用。因此，傳統微波管和激光器向毫米波段的擴展各自遇到了原則性的困難，而基于電子回旋諧振受激輻射機理研制的回旋管則成功地克服了這一困難。本文對工作頻率在94GHz的回旋管進(jìn)行研制，并給出實(shí)際測試結果。

1、漸變復合腔的結構設計

　　如圖1所示，本文所設計的漸變復合腔由腔體I和腔體II兩個(gè)部分構成，其中腔體I工作于較低階模式，腔體II工作于較高階模式。兩個(gè)腔體通過(guò)它們之間的過(guò)渡段產(chǎn)生耦合，適當選擇復合腔的尺寸，可以使復合腔工作在單一的諧振模式對TEmn -TEmn $(n$>n)而無(wú)其它寄生諧振模式對。在復合腔的第I腔中，電子注與TEmn的駐波場(chǎng)作用而產(chǎn)生預群聚，并在第II腔中優(yōu)先激勵起TEmn $ 模，并與之互作用，產(chǎn)生高頻振蕩。

圖1　漸變復合腔結構示意圖

結論

　　本文通過(guò)對漸變復合腔回旋管高頻系統和模式變換器的理論分析和數值模擬，研制出了工作在94GHz的二次諧波漸變復合腔回旋管，其實(shí)物如圖5所示。實(shí)驗所得結果表明：所制的回旋管在電子注電壓50kV，電流8.8A，工作磁場(chǎng)1.56T時(shí)工作頻率為94.2GHz，峰值輸出功率為115kW，平均輸出功率為3kW，效率為26%。

圖5　94GHz漸變復合腔回旋管實(shí)物