高功率长脉冲多注相对论速调管放大器相位特性研究

The high power multi-beam relativistic klystron amplifier (RKA) driven by intense relativistic multi-electron beams (IRMEBs) has overcome the limit of working frequency and radiation power in the general configuration RKA, and a long pulse GW-level radiation power in X-band is generated in the experiment. The multi-beam RKA has been developed energetically in the research areas of high power microwave device. However, the stability of the output microwave phase would become bad when the long pulse radiation power reaches GW-level. In order to control the stability of the phase of the output microwave, the parameters of the current difference of multi-beam, electron beam voltage, and beam current as well as the parameters of the cavity have been analysis, and then particle simulation and principle experiments have been done. This project aims to reveal the law of the phase characteristics of high power multi-beam RKA, and provides theoretical and technical basis for effective control the stability of the frequency and the phase of the output microwave, satisfies the requirement of the engineering application.

高功率多注相对论速调管放大器(RKA)采用强流多注电子束技术产生高功率微波(HPM)，突破了常规圆波导RKA 结构对工作频段和输出功率的限制，在较高频段（X波段）实现了GW级微波功率放大输出，该类型器件在 HPM研究中得到了大力发展。但研究中发现，在GW级高功率长脉冲输出时，微波相位抖动增大，严重限制了其在相关领域中的应用。本项目对可能引起微波相位抖动增大的多注电子束特性、高频结构参数和谐振模式等因素影响微波相位的机理进行理论和模拟分析，并开展验证实验研究，从而提出抑制相位抖动的措施。本项目旨在揭示相关主要因素对相位稳定性的影响关系，分析高功率长脉冲多注RKA 的相位特性，为有效控制微波相位抖动和研制出稳频稳相的GW级高功率长脉冲多注RKA奠定理论和技术基础。

为了拓宽高功率微波源（HPM）的应用领域，现有HPM源的等效辐射功率还需要大幅度提高。受工作频率和几何尺寸共度性的限制，常规结构单个器件输出功率受到限制，采用对多台HPM源的输出微波进行合成是提高微波源总体等效辐射功率的重要技术途径之一。在所有的HPM源中，由于相对论速调管放大器（RKA）具有高功率、高效率以及输出微波相位稳定等优点，是进行HPM源合成的首选器件。在GW级HPM源合成应用中，为保证多台微波源具有较高的合成效率，要求各台微波源在合成脉宽范围内的相位波动能够稳定控制，而且根据目标应用需求，通常要求输出微波为长脉冲。项目组以X波段多注RKA为研究模型，对多注电子束特性、高频结构参数和谐振模式等因素与GW级高功率长脉冲RKA相位抖动的影响关系进行了分析研究，得到了相关因素对微波相位的影响规律。.研究结果表明脉冲功率源电子束参数存在波动，在电子束通过RKA高频结构时，具有不同能量的电子除了间隙渡越时间不同外，还将在腔体内激励杂频，上述因素会影响到输出微波相位的稳定性。分析表明在器件正常工作时，电子束参数中的电压变化波动是引起输出微波相位抖动的主要因素，而器件长度缩短有利于减弱电压波动导致的输出微波相位抖动。而当存在电子回流和杂频干扰时，器件非正常工作状态下，输出微波存在频率偏移，使得输出微波的相位抖动急剧增大。为此提出抑制相位抖动的措施，改进器件结构设计，抑制电子回流和杂频干扰，同时使器件高频结构长度减少约三分之一，降低相关因素引起输出微波相位抖动的灵敏度。在脉冲功率源平台开展改进设计实验研究，在微波功率GW级情况下实现长脉冲微波重频稳频稳相输出。.本项目的研究方法、研究结论以及建立的电子束特性、高频结构参数和谐振模式对微波相位的影响规律，对各种类型锁频锁相器件设计研制具有重要的指导意义，研究结果在高功率微波锁频锁相器件设计和实验研究中具有重要的应用前景。