8mm高平均功率回旋速调放大器研究项目自查报告文档格式.docx
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开展高脉冲功率,高平均功率相关技术研究。
进行高功率和高效率新结构技术方案的理论分析,数值模拟,样管研制及实验研究。
掌握高脉冲功率、高平均功率8mm回旋速调放大器关键技术,完成高平均功率8mm回旋速调管放大器设计方案,研制出工艺样管。
2、项目主要研究内容和关键技术
主要研究内容:
(1)大电流、低纵向速度零散高质量磁控注入电子枪的方案设计,优化及实验研究;
(2)高平均功率新结构高频系统高频场分析及冷测实验研究;
(3)电子注与高频场互作用的模拟计算,高频系统的优化设计,提高功率及效率;
(4)高平均功率技术及高功率器件工艺技术研究;
(5)毫米波元件冷测及高功率毫米波测试技术研究;
(6)电子光学、高频系统研制及实验研究;
(7)工艺样管研制。
关键技术:
(1)高效抑制竞争模式的高频结构研究
利用竞争模式高频场特点在高频结构加载吸收介质,优化吸收介质厚度和分布,有效吸收竞争模式高频场。
形成高效抑制竞争模式,有利工作模式稳定建立的高频结构。
利用新型结构的高频分析软件,进行高频分析计算,优化高频结构,提高竞争模式抑制能力。
利用高频分析软件HFSS,CST进行检验,进行实验验证。
(2)高频系统优化设计
输入腔用自主软件进行分析,并用HFSS软件进行检验,提高模式变换效率,降低输入功率,提高增益。
中间群聚腔、漂移段及输出段采用场匹配、模式耦合理论与散射矩阵级联进行高频场分析,详细研究引入损耗介质降低Q值,抑制模式竞争,减少各腔体之间高频场耦合。
研制高频单元,加以实验验证。
(3)大电流低速度零散电子枪
改进磁控注入电子枪设计,根据实际磁场分布优化电子枪结构尺寸,在大电流(20A以上)使α为1.3-1.5,降低速度零散,获得高性能电子注的双阳极磁控注入电子枪。
(4)非线性、非自洽及非线性自洽注-波互作用理论分析和计算
通过对预群聚电子注在输出腔的注-波互作用的计算,优化高频结构和电子参量提高互作用效率。
(5)提高互作用效率、输出功率和整管工作稳定性
电子发射,注-波互作用,电子回收全过程数值模拟。
研究起振和模式竞争;
电子注参量、外部磁场、高频结构参数等对互作用效率和输出功率的影响;
综合考虑各因素的影响,优化参量,提高互作用效率、输出功率和整管工作稳定性。
(6)高平均功率输出窗
研究输出窗的吸收及反射特性,研究减小吸收及反射的有效方法,使输出窗能承受高平均功率。
对收集区内电子注运动轨迹及收集极热负荷与冷却系统进行热力学计算,确保在高平均功率条件下散热良好。
(7)进行整管结构工艺优化,降低加工及装配误差的影响。
将电子光学计算,高频计算,注-波互作用数值模拟结合,优化部件及整管设计,严格控制关键尺寸的加工精度,降低加工误差带来的影响。
(8)提高阴极发射能力及寿命,实现大电流条件下阴极稳定工作。
3、项目主要技术指标
“十一五”课题主要技术指标:
研制出高平均功率8mm回旋速调放大器:
(1).Ka波段,中心频率34GHz-35GHz
(2).平均功率10kW
(3).带宽0.5%
年度课题主要技术指标:
(1).完成平均功率10kW,带宽0.5%的8毫米回旋速调管放大器设计方案;
(2).研制出电子光学系统、高频系统;
(3).研制出工艺样管。
4、项目进度节点安排
时间
主要完成内容
成果形式
2006-2007.02
2007.03-2007.06
2007.07-2007.10
①改进电子枪的设计,提高工作电流,降低速度零散;
②新高频系统的理论分析,完善高频分析软件,进行数值模拟和优化设计,抑制自激振荡;
③注-波互作用数值模拟计算和分析,提高输出功率,增宽频带。
①高频系统的加工和测试;
②高平均功率结构和工艺研究;
③完善大工作比热测实验系统;
④部件研制和测试。
①电子枪、高频系统进一步优化设计;
②高平均功率相关技术研究,提高功率容量。
①完成相关分析计算软件的编制和改进;
②电子光学系统、高频系统优化设计方案;
③整管设计方案。
①平均功率10kW,带宽0.5%的8毫米回旋速调管设计方案;
②研制工艺样管。
①电子光学系统、高频系统的改进及优化结果;
②改进后的整管优化设计方案。
二、研究工作进展情况
1、研究内容的完成情况
根据项目的总目标及阶段研究计划,在“十五”研究的基础上,进行了高脉冲功率,高平均功率8毫米回旋速调放大器理论分析,数值模拟,实验研究。
对适合高功率容量新结构高频系统进行了分析设计及优化,改进了整管结构工艺,改善了放大器的可靠性和稳定性。
2007年5月研制出高平均功率8毫米回旋速调放大器样管,2007年6月完成样管测试,得到脉冲功率150kW,带宽250MHz。
2007年9月完成样管实验分析,技术改进,形成新样管的设计方案,2007年10月进行改进样管部件的设计加工。
课题组全面完成了各项研究内容。
2、关键技术的攻关情况
(1).改进和完善了磁控注入电子枪设计计算程序,用自主软件和EGUN等程序完成了大电流、低速度零散高质量磁控注入电子枪的方案设计,进行了大量数值模拟,优化出电子枪结构尺寸及过渡区磁场分布,满足大电流、低速度零散设计要求。
8mm大电流、低速度零散回旋速调管电子枪计算结果
(2).采用自主开发的高频分析程序进行数值模拟计算,完成了输入谐振腔近似分析方法和数值计算程序,进行输入谐振腔结构设计,获得了能量转换效率高,能有效抑制竞争模式,工作模式纯度高的输入谐振腔设计方案,对输入谐振腔进行冷测实验,达到了高频输入系统的设计要求。
完成加载损耗介质低Q谐振腔的优化设计。
在加载损耗介质低Q谐振腔设计中针对工作模式及寄生模式场分布特点,选择适当的损耗介质,优化其分布,控制损耗层厚度,不仅降低Q值达到设计要求,同时使寄生模式得到极大的削弱,有效地抑制了寄生振荡。
利用矢量网络分析仪对各低Q谐振腔进行冷测,严格保证腔体频率和Q值,提高回旋速调管的稳定性和可靠性。
输入谐振腔计算结果Q值及损耗功率PLm与损耗层厚度关系
(3).完成了电子注与高频场互作用的非线性分析、模拟计算,高频系统的优化设计。
进行注-波互作用粒子模拟,在没考虑速度零散的情况下,电子加速电压70kV,电流20A输出功率约为700kW,效率约50%。
互作用效率和场分布图
粒子模拟
输出功率
(4).对高平均功率回旋速调管放大器输出窗进行分析计算,降低输出窗的反射和高频损耗。
通过优化设计得到了无反射、低吸收高平均功率回旋速调管放大器输出窗设计方案。
在平均输出功率情况下,输出窗不会出现因介质高频损耗而损坏。
(5).改进了工艺样管高频系统及工艺结构,完成了工艺样管零部件及整管的结构设计、加工和装配。
对电子枪、高频输入、注-波互作用、输出系统的关键参量和结构进行调整和改进;
采用复膜阴极,降低灯丝加热功率,提高阴极发射能力及寿命,实现高平均功率条件下阴极稳定工作;
改进水冷系统,增强冷却散热能力,提高放大器的功率容量。
(6).完善了冷测实验系统和测试方法,进行冷测实验,严格控制关键参量,保证整管性能。
3、技术指标实现情况
目前课题组全面完成合同研究目标,并向前推动研究计划,研制出较高参量的8毫米回旋速调管放大器。
其主要技术指标:
脉冲功率150kW
饱和增益30dB
带宽250MHz
4、研究进度、阶段成果及其应用情况
研究进度
2007年3月前对适合高功率容量新结构高频系统进行了分析设计及优化,改进了整管结构工艺,改善放大器的可靠性和稳定性。
2007年5月研制出高平均功率8毫米回旋速调放大器样管。
2007年6月完成样管测试。
2007年9月完成样管实验分析,技术改进,形成新样管的设计方案。
2007年10月进行改进样管部件的设计加工。
阶段成果
课题组在专题研究、零部件设计加工、整管结构工艺及实验系统建设和完善、实验研究等方面都取得了阶段性成果。
(1)脉冲功率150KW,带宽250MHz的8mm高功率回旋速调放大器样管。
(2)高功率回旋速调管放大器计算软件及设计方案:
高频系统数值模拟软件;
电子枪数值模拟软件改进;
电子枪设计方案;
高频腔体设计方案;
高平均功率输出窗的优化设计方案。
(3)研制报告,GF报告及学术论文。
应用情况
本项目研制出8mm高功率回旋速调放大器是为定向能武器系统开发研究,电子战系统,强力干扰机和高能毫米波相控阵雷达提供高功率毫米波源。
在毫米波电子战系统,毫米波定向能武器系统,远程毫米波精密跟踪与测控雷达等军事装备上将发挥重要作用。
5、协作情况
课题组在长期科研协作中与外协及合作单位建立了良好的合作伙伴关系,这为课题的顺利推进创造了良好的外部条件。
三、预期成果及效益
1、预期成果
掌握高脉冲功率,高平均功率回旋速调放大器关键技术,研制出高性能的8毫米回旋速调放大器样管,使回旋速调放大器功率水平迈上新台阶,主要技术指标:
中心频率34GHz
脉冲功率大于300KW
平均功率大于10KW
带宽大于0.5%
增益大于30dB
2、预期效益
回旋速调管放大器在毫米波波段产生的高功率相干电磁辐射的优良特性,使它在军事与民用等方面都有着十分重要的应用前景。
正是在这种诱人应用前景推动下,使它得到迅速发展,而它的发展又推动了很多新领域的应用研究。
利用回旋速调放大器的高峰值功率与高平均功率,可以作成毫米波强力干扰装备,由于波长短,比较容易耦合进对方微波系统,可进行带内与带外干扰。
同时毫米波波束窄,能量更集中,可以作成定向能辐射武器系统,用热效应或非热效应对敌方目标,特别是电子系统进行攻击。
回旋速调放大器已成功用于高功率毫米波雷达系统,俄国人利用两支峰值功率500kW,平均功率5kW回旋速调放大器,研制成了Ka波段的相控阵雷达。
它能跟踪30个人造卫星和其他弹道小截面目标,对雷达截面为0.01m2目标的探测距离为420km。
美国2002年用中心频率94GHz、平均功率10kW回旋速调放大器研制成一个可移动毫米波雷达系统用于掠海面飞行目标的识别跟踪。
回旋速调放大器在工业民用领域也有广阔的前景,如受控热核聚变寻找新能源研究,毫米波通信、高能加速器等。
项目研制出的8mm高功率回旋速调管放大器具有广泛的应用前景,可为定向能武器系统开发研究、电子战系统、强力干扰机和高能毫米波相控阵雷达提供高功率毫米波源。
同时还可用于毫米波通讯,可控核聚变以及工业民用等诸多领域。
本项研究工作不仅有很大的军事应用前景,而且随着它推广应用,将有巨大的经济效益,本项目的研究成果达到国际先进水平,在国际上将有良好的影响,并产生很大的社会效益。
四、组织管理情况
1、管理措施
(1)课题管理
项目在总装机关、863专家组的直接领导下,在学校有关部门的领导与支持下,组织专门的课题组承担项目的研究工作。
课题组长期从事该领域的研究工作,形成一支高水平
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- 关 键 词:
- mm 平均功率 回旋 放大器 研究 项目 自查 报告