基于新型互作用机制的毫米波回旋放大器的研究

毫米波宽频带回旋放大器是高性能毫米波雷达和电子对抗系统理想的发射功率源。本项目提出研究三种新型的回旋放大器互作用机制，即ECM级联、预群聚激发和双模组合工作，旨在解决现有器件中线性段稳定性、高平均功率漂移段和高峰值功率输出段等限制器件发展的瓶颈问题。发展复杂波导系统中电子回旋脉塞（ECM）的频域单模互作用理论和时域多模互作用理论，以研究系统中的非线性注波互作用、稳定性和多模动态竞争过程，借此揭示新型互作用系统中绝对不稳定性和对流不稳定性之间的竞争关系。基于现有的实验平台，研制原理性样管以验证新机制的可行性。本项目将为解决系统的稳定性，提高其峰值功率量级和平均功率承受能力，扩展带宽，降低电子注速度零散对系统性能的影响等关键问题探索出新的解决方案，为毫米波回旋放大器的研制提供的有力的技术支撑，促进新一代武器装备的发展，具有重要的学术价值和工程意义。

项目探索毫米波回旋放大器的新结构与新机制，以进一步推动器件往高频率、宽频带和高功率方向发展，促进基于毫米波回旋放大器的高分辨率雷达和电子对抗系统的发展。本项目主要开展了理论和工程实验两方面的工作。. 理论方面:（1）对损耗介质波导的传输特性和基于损耗介质加载的回旋行波放大器的理论开展了系统的研究工作。揭示了损耗介质波导中新颖的模式转移问题；首次建立损耗介质波导中电子回旋脉射的线性和自洽非线性理论；提出了适合回旋放大器工作的电子回旋脉塞级联、多模工作和预群聚等新颖概念；并对这些新方案在W波段高功率回旋放大器中应用的可行性进行了深入论述。（2）对螺旋波纹波导的传输特性和基于螺旋波纹波导的回旋行波放大器的理论开展了系统的研究工作，建立螺旋波纹波导回旋行波放大器的理论模型；基于螺旋波纹波导互作用电路，对发展Ka波段和W波段高功率宽频带的回旋行波放大器开展了系统性论述。. 工程实验方面：以理论成果为基础，开展了Ka波段回旋行波放大器（Gyro-TWT）、W波段可调谐回旋返波振荡器（Gyro-BWO）、W波段高功率回旋速调放大器（Gyroklystron）、W波段宽带行波放大器等多种器件的工程研究工作。其中，2011年11月测试的W波段频率连续可调回旋振荡器实验是国际上首例W波段的Gyro-BWO实验，获得了8kW的峰值功率，频率调谐范围超过2GHz。基于统一的频域非线性理论模型，发展回旋器件的注-波互作用分析的仿真程序。该程序具有较强的通用性，已经成为目前正在发展W波段Gyro-TWT、Gyroklystron和Gyro-BWO等三类器件的基本设计工具。基于该理论工具开展的Ka波段Gyro-TWT项目已经结题；开展的W波段回旋放大器项目已经研制出原型器件。. 在本项目的支持下，开展了一系列与回旋放大器相关的理论和工程实验研究工作，在《IEEE TED 》、《IEEE TPS》、《Physics of Plasmas》、《物理学报》、《红外与毫米波学报》等SCI期刊上发表论文15篇，国际会议5篇，申请软件著作权登记2项；研究过程中揭示的一系列的理论成果为回旋放大器的发展奠定了系统的理论基础。