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陈光梦著著|
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您已成功将商品加入收藏夹高功率微波源注入S波段两腔大间隙速调管放大器的研究--《国防科学技术大学》2012年博士论文
高功率微波源注入S波段两腔大间隙速调管放大器的研究
【摘要】：单个高功率微波源（HPM）输出功率的继续提高受到了腔内强场击穿等物理机制的限制。为进一步提高HPM系统的输出功率，研究人员提出了多个HPM源空间相干功率合成的方案，这要求多个HPM源必须是频率一致和相位锁定的。与高功率微波振荡器相比，高功率微波放大器如相对论速调管放大器具有频率、相位稳定的优点，因此成为了HPM空间相干功率合成的首选器件之一。但在向更高的频段发展时，大型的速调管放大器功率合成阵列的商用大功率种子源面临着输出功率不足的问题。鉴于此，本文提出了利用高功率微波源作为种子源，注入锁定多台速调管放大器进行功率合成的思路。作为该思路的初步验证工作，本文开展了利用一台S波段相对论返波振荡器（RBWO）作为种子源，驱动并锁定一台高注入功率、两腔、大间隙相对论速调管放大器（WKA）频率和相位的研究。论文的研究内容和主要结论如下：
基于电路理论和粒子模拟程序，系统研究了金属膜片-回流杆结构对WKA谐振腔高频特性及WKA基本工作特性的影响。分析结果表明：WKA谐振腔的间隙宽度是相同工作频率常规RKA的2倍以上，能够承受更强的电场而不发生击穿，因而允许数十MW的高注入功率；在抑制WKA谐振腔空间电荷效应中起主导作用的是回流杆而非金属膜片，一旦加载了回流杆，只需要填充少量的金属膜片就能够把间隙附近的空间电势压力抑制到较低的水平；回流杆的尺寸对间隙电场分布特征和电子负载电导的影响较小，因此回流杆的加载并不会明显影响WKA的基本工作特性如束流调制和微波提取效果等。
在物理分析方面，研究了高注入功率条件下大间隙速调管的微波注入和束流群聚特征。根据等效电路模型得到了谐振腔与电子束及外电路的阻抗匹配条件，为WKA输入腔的设计打下了理论基础；随着注入功率的增加，WKA的束流群聚过程由小信号线性区过渡到大信号非线性区，这分别和小信号的Webster去聚理论以及考虑到电子超越现象的Roe理论的预言结果基本一致；在高注入功率条件下出现的第二峰值电流与多重电子超越现象密切相关，利用电子多重超越效应可把WKA输入腔的群聚电流深度由第一峰值电流的饱和值80%继续提高到92%，从而获得更高的群聚束流功率。
在粒子模拟方面，对RBWO种子源驱动的高注入功率、两腔WKA进行了优化设计和三维粒子模拟研究。采用优化结构模型，在二极管电压595kV、电流4.9kA、导引磁场约1.5T、净注入功率约36MW、工作频率3.6GHz时，束流群聚深度达92%，两腔WKA的输出功率约为1.05GW，功率效率超过36%。在此基础上，获得了两腔WKA输出功率对RBWO种子源的注入频率、净吸收功率以及二极管电压的依赖关系，研究了WKA对以上输入参数的容忍度。模拟结果指出：两腔WKA的输出频率被RBWO种子源的注入频率线性锁定；高注入功率条件下电子束调制的强烈非线性效应，显著提高了两腔WKA输出功率对高功率种子源RBWO注入功率变化的容忍度；由于省去了品质因数较高的中间腔，两腔WKA的3dB相对工作带宽达到了2.5%，在一定程度上提高了对RBWO种子源注入频率变化的容忍度。同时，分析了加速器二极管电压变化对RBWO-WKA系统锁相效果的影响。分析结果显示：在RBWO种子源初始相位、注入频率以及电子直流渡越效应等三种与二极管电压变化有关的因素中，RBWO种子源初始相位的变化对两腔WKA锁相效果的影响最为显著；然而无论如何，只要二极管电压的变化量足够小，就能利用RBWO种子源锁定两腔WKA的相位，这要求在实验中对加速器的主开关实施外部触发措施。
在实验研究方面，详细阐述了RBWO-WKA实验系统的设计思想，以及关键设备的准备情况。利用电子束直流冲击法检验了两腔WKA的工作机制，结果说明在150ns的电脉宽下，所设计的两腔WKA工作在放大机制。研究了RBWO-WKA的基本工作特性：两腔WKA的输出频率被RBWO种子源的注入频率线性锁定；在注入功率约22.5MW，注入频率3.55GHz，二极管电压530kV，电流4.1kA，约束磁场1.6T时，两腔WKA的检波功率约229MW，半高宽70ns，功率效率10.9%，功率增益约10dB；结合粒子模拟结果，分析了两腔WKA实验功率和效率偏低的原因。同时，观察了加速器主开关的触发特性对RBWO-WKA系统锁相效果的影响。在主开关工作于电触发模式时，二极管电压稳定在530kV，工作频率稳定在3.55GHz左右，单炮次时RBWO注入信号和WKA输出信号的实时相位差稳定在±16°之内，多炮次时的相对相位差则锁定在±11°之内，保持锁相的时间超过40ns。理论计算结果表明，两个采用类似锁相技术的两腔WKA具有实现高效率相干功率合成的潜力。
【学位授予单位】：国防科学技术大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：TN722;TN122
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高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真.doc 24页
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课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题 目：1.高频小信号调谐放大器的电路设计与仿真
2. 乘积型相位鉴频设计与仿真
3. 高频谐振功率放大器设计与制作
初始条件：
对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力。
要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.谐振频率：＝10.7MHz；谐振电压放大倍数：，；通频带：；矩形系数：。要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路
2.电路的主要技术指标：输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz， >65%，
已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用3DA1，其主要参数：Pcm=1W,Icm=750mA,VCES=1.5V,fT=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。
时间安排：
第15周，安排任务（鉴3-204）
第16周，仿真、实物设计（鉴主实验室）
第17周，完成（答辩，提交报告，演示）
指导教师签名：
系主任（或责任教师）签名：
高频小信号谐振放大器 3
1.设计任务 3
2 .总体电路方框图 3
3 单元电路设计 4
3.1小信号放大电路 4
3.2 选频网络 5
4仿真结果 6
5 实物制作与测试 7
乘积型相位鉴频设计与仿真 8
1.鉴频器概述 8
2.鉴频器的主要参数 8
2.1鉴频特性(曲线) 8
2.2鉴频器的主要参数 9
3.鉴频方法 9
3.1直接鉴频法 9
3.2间接鉴频法 10
3.2乘积型相位鉴频器原理说明 10
4.乘积型相位鉴频器实验电路说明及仿真设计 11
4.1乘积型相位鉴频器电路 11
4.2仿真电路设计及结果分析 12
5.MC1496鉴频电路的鉴频实物实验 14
5.1鉴频电路的鉴频操作过程 14
5.2鉴频特性曲线（S曲线）的测量方法 14
高频功率放大器 15
1.放大器电路分析 15
2 谐振功率放大器的动态特性 16
2.1谐振功放的三种工作状态 16
2.2 谐振功率放大器的外部特性 17
3单元电路的设计 19
3.1确定功放的工作状态 19
3.2基极偏置电路计算 20
3.3计算谐振回路与耦合线圈的参数 21
3.4电源去耦滤波元件选择 21
4电路的安装与调试 22
参考文献 24
高频小信号谐振放大器
1.设计任务
设计一高频小信号谐振放大器，所设计电路的性能指标如下：
谐振频率：＝10.7MHz,
谐振电压放大倍数：，
通频带：，
矩形系数：。
要求：放大器电路工作稳定，采用自耦变压器谐振输出回路。
2 .总体电路方框图
3 单元电路设计
3.1小信号放大电路
图（1） 静态工作点设置
设置静态工作点
采用国产三极管3DG6,经万用表测得放大倍数为40倍，
由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.8－2mA之间选取为宜，
设计电路中取
所以：Vbe = 4V;
因为：(硅管的发射结电压为0.7V)
所以：Vbq = 4.7V;
考虑调整静态电流的方便，用10K?电位器。
3.2 选频网络
图（2）选频网络
选频网络参数设置
采用固定电感调电容的方法来达到10.7MHZ的谐振频率。
回路中的总电感L
回路电容的计算
采用以800pf的可调电容。
3）求电感线圈N2与N1的匝数：
根据理论推导，当线圈的尺寸及所选用的磁心确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数。此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，
　　式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；???
N-线圈的匝数
一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上(也可以直接在磁心上)缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值：
式中： -为实验所绕匝数，由此根据和K值便可求出线圈应绕的圈数，即：
实验中，L采用带螺纹磁芯、金属屏蔽罩的10S型高频电感绕制。在原线圈骨架上用0.08mm漆包线缠绕10匝后得到的电感为2uH。由此可确定
要得到4 uH的电感，所需匝数
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