低脈衝磁場準單模GW級Ku波段高功率微波發生器研究

《低脈衝磁場準單模GW級Ku波段高功率微波發生器研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由巨金川擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低脈衝磁場準單模GW級Ku波段高功率微波發生器研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：巨金川
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

Ku波段高功率微波在高功率雷達、衛星通訊以及其他諸多民用、軍事領域具有廣泛的套用前景，然而目前尚沒有GW級Ku波段的高功率微波產生器件。本項目將開展相關的基礎理論和實驗研究，研製一台Ku波段過模慢波切倫科夫型高功率微波發生器。擬通過採用大橫向尺寸的過模慢波結構，將器件的功率容量提高至GW量級，並分析過模慢波結構內部的高階模式競爭，採取模式選擇和控制方法使器件工作在單模狀態，保證高效的束波相互作用。分析電子束對微波的迴旋共振吸收條件，通過最佳化慢波電磁結構和電子束參數，實現過模器件在低導引磁場條件下的正常工作。進一步採用短脈衝式的磁場設計，減小重頻運行時螺線管線圈中的焦耳發熱和勵磁供電系統的體積重量。器件的典型模擬結果預期為：在磁場強度約0.6T時，產生功率大於1GW、頻率約14GHz的Ku波段高功率微波，功率轉換效率約40%，輸出微波中TM01模所占的功率比大於90%；並進一步開展實驗研究。

結題摘要

民用和軍事領域對Ku波段高功率微波（HPM）有著強烈的需求，然而目前尚沒有GW級Ku波段高功率微波產生器件。切倫科夫型高功率微波振盪器具有功率效率高、頻譜特性好、工作穩定等特點，是目前最有潛力的高功率微波產生器件之一。在此背景下，本項目研究了一種Ku波段低脈衝導引磁場過模慢波切倫科夫型HPM發生器，通過採用過模慢波結構，設定漂移腔和漸變慢波結構，以提高器件功率效率，並改善互作用區射頻電場分布，減小最大表面電場強度，提高器件功率容量。該器件在較低的導引磁場條件下，實現了GW級準單模HPM輸出。PIC粒子模擬結果為：在二極體電壓540 kV、電子束流5.8 kA、導引磁場0.6 T的條件下，獲得了功率為1.1 GW、頻率為13.8 GHz、功率效率約35%的微波輸出；輸出微波主模為TM01模，占全部輸出功率的95%；器件中最大表面電場強度為0.8 MV/cm。在Torch-01強流加速器平台上對器件開展了實驗研究，在二極體電壓為740 kV、電子束流為9.9 kA、脈衝導引磁場為0.8 T條件下，產生微波功率最高為1.1 GW、脈寬為24 ns，微波頻率單一性良好，中心頻率為13.76 GHz，模式為TM01模，功率效率為15%，並且器件具有穩定的運行能力。進一步在HEART強流加速器上開展了初步的長脈衝實驗研究，然而實驗中出現了嚴重的脈衝縮短現象，輸出微波僅有320 MW，微波脈寬小於30 ns。分析了脈衝縮短的原因，對器件的電磁結構進行了最佳化改進，預期在Ku波段可實現GW的長脈衝微波輸出。此外，項目組還在Ka波段過模HPM振盪器、碳納米管強流電子束陰極、相對論速調管放大器等方面開展了拓展研究，取得了一些有意義的成果。該項目的研究工作能夠促進高頻段高功率微波技術的發展，結合項目組提出的脈衝磁場設計方案，可實現器件整體的緊湊模組化封裝，具有良好的民用和軍事套用前景。