低磁场准单模8mm波段GW级高功率毫米波源的研究

高功率毫米波由于其在高功率雷达与其他领域的潜在应用而日益受到重视，进一步提高功率成为目前研究的重点。慢波型高功率微波源由于其自身的特性，在产生百兆瓦（MW）以上功率的场合得到了广泛的应用。毫米波器件的尺寸较小，其功率容量也随之受限，合理增大器件径向尺寸，即采用过模慢波结构，可有效提高器件的功率。采用过模结构时，器件内部可能激励起多个高阶竞争模式；通过对各个模式的分析，采取一定手段可使器件工作于单模状态。毫米波器件需要更高质量的电子束，相应需要更强的导引磁场；通过相关分析及对器件结构的优化，可使器件工作于较低的导引磁场。本项目通过对相关基础理论与技术的研究，提出并研制一个低磁场准单模高功率毫米波源，在导引磁场强度约0.85T时，模拟实现功率1GW的毫米波输出，预计实验实现微波输出功率达到300MW以上，工作频率33GHz附近，工作模式为准TM01模。

高功率毫米波由于其在高功率雷达与其他领域的潜在应用而日益受到重视，进一步提高功率成为目前研究的重点。慢波型高功率微波源由于其自身的特性（如机理简单、高效率与高稳定性等），在产生百兆瓦（MW）以上功率的场合得到了广泛的应用。毫米波器件的尺寸较小，其功率容量也随之受限；本项目合理增大器件径向尺寸，即采用过模慢波结构，有效提高了器件的功率。采用过模结构时，器件内部可能激励起多个高阶竞争模式；本项目通过对各个模式的分析，采取一定手段使器件工作于单模状态。毫米波器件需要更高质量的电子束，相应需要更强的导引磁场；本项目通过相关分析及对器件结构的优化，使器件工作于较低的导引磁场。本项目组在国家自然科学基金支持下已经完成了预期研究目标，主要研究成果和结论归纳为以下三个方面：. 1.理论分析方面，首先运用场匹配法研究矩形盘荷过模慢波结构的色散关系。将过模器件的工作点选择在TM01模π模附近，设计合适的慢波结构尺寸使其满足TM01模π模谐振频率在35GHz附近；. 2.模拟仿真方面，经过优化在导引磁场0.85T、束电压600kV、束电流5.05kA的条件下，模拟获得了频率33.80GHz、功率1.05GW的微波输出，在输出口处，主要模式为光滑圆波导TM01模。这些模拟结果为后续的实验设计提供了重要指导。还对该器件进行了永磁包装的研究，采用两块不同磁化方向的磁体提供0.80T的导引磁场，可以实现约1GW的毫米波输出，此时永磁体的总重量为197.6kg；. 3.实验研究方面，在TORCH-01脉冲功率源上的实验结果表明，经过改进，在0.80T导引磁场下，电压590kV、电流5.2kA时，获得了频率为33.56GHz、功率为320MW、脉宽约13ns、辐射主模为TM01模的高功率毫米波，功率效率约10 %。