加速器微波技术讲座总

低能电子直线加速器微波技术基础 .微波与电磁波谱简介 .电磁波基本知识回顾 .微波技术的主要特点 . 导行波系统及传输线理论 .微波在波导管中的传输 .常用的微波元件 .驻波加速器的微波传输系统举例 .微波与电磁波谱简介 微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红外线之间的波段。 波长不同的电磁波在产生、传输技术及应用等方面都将具 有不同的特点；发展了不同的学科。 微波波段 频率 f: 300MHz 300GHz 波长 :1m 1mm 代号 f（ GHz） 标称波长（ cm） L 1 2 22 S 2 4 10 C 4 8 5 X 8 12 3 1.电磁波的产生 2.电磁波的传播特性 *平面电磁波在均匀无损媒质中的传播 *平面电磁波在有损媒质中的传播 *电磁波在媒质交界面处的传播规律 .电磁波基本知识回顾 电磁波的产生 电荷激发电场 电力线 + - 电流激发磁场 没有单磁极子 磁力线是围绕电 流的闭合曲线 E H 随时间交变的电场感 生交变的涡旋磁场 随时间交变的磁场感 生交变的涡旋电场 电磁波的产生 交变电场与交变磁场交互感 应， 相互支持，在空间形成统一的 从 振源开始，由近及远，在空 间传 播的电磁波 振源近区的场分布很复杂，远区 则呈球对称分布。在离源更远的区 域，球面则近似为平面波。 x y z x y z 真空或理想无损媒质 （ 导电率 = 0） 横电磁波 （ TEM波） 按 单一频率 正旋规律变化的平面 电磁波是简谐等幅的行波。 电磁波传播速度与频率无关，决定 于介质的介电常数 和导磁系数 在真空中即为光速 .C3 108米 /秒。 波阻抗 =Em/Hm 在真空中 0=377 2 1 22 )( )( Vk V VT Tf ekztSinHH ekztSinEE ym xm 平面电磁波在均匀无损媒质中的传播 kHEHE mm )( 有损媒质 （ 导电率 0） 仍然是横电磁波 （ TEM波） 单一频率 的平面电磁波，沿传播 方向是振幅 衰减 的行波。 波传播速度 V与介质的 、 及 有关，并随频率 变化，是色散波。 波阻抗变为复数，并是频率的函数。 即电波与磁波之间有相位差。 波传输常数变为复数 k=+j。 0 2 , , )( )( j m m p yo z m x z m e H E V eztSi neHH eztSi neEE ）（ ），（ 平面电磁波在均匀有损媒质中的传播 有损媒质 无损媒质 2 2 2 2 4 p jj m m V ee H E o 平面电磁波在良导体中传播的特点 很大，波相速很慢。 很小，波阻抗低，即 磁场较强，电场较弱。 很大，衰减很快。定义 趋肤深度 为场强衰减到 1/e=0.368倍的距离。 例：铜 =5.8 107米 /秒 f=3000MHz条件下 =1.2微米 良导体 电磁波在媒质交界面的传播特性 媒质 1中的一束入射波在交界面处将 产生一束反射波和一束透射波。 线性媒质中三束波的频率一致。 三束波的波矢量同在一个入射平面上； 入射平面与交界面相互垂直。 反射角与入射角相等 r= i 折射角与入射角有关系式为： 21 V Si n V Si n ti 三个波的波幅关系要满足介质交界面处 电磁场的边界条件 三个波的波幅关系要满足介质交界面处 电磁场的边界条件 介质 1 介质 2 理想介质（ 1= 2=0） 交界面 上 没有自由电荷 也没有传导电流 。 E1t= E2t 1 E1n = 2 E2n H1t= H2t 1 H1n = 2 H2n 三个波的波幅关系要满足介质交界面处 电磁场的边界条件 在理想介质的交界面处 介质 1中入射波与反射波合成场的平行分量 E1t， H1t与 介质 2中透射波场的平行分量 E2t， H2t相等。 合成场的法向分量 D1n， B1n与介质 2中透射波场的法向 分量 D2n， B2n相等。 理想导体（ 2 ）交界面 上有薄层（自由）面电荷 s 和（传导）面电流 j s。 在理想导体表面处，入射波和反射波合成的结果满足： 电力线一定垂直于导体表面 。 磁力线一定平行于导体表面。 良导体（如铜，银等） 很大，可近似为理想导体处理。 + + + + + + + 理想导体 2 E=0 B=0. s j s E1t= 0 D1n=s H1t = j s B1n= 0 理想导体表面的边界条件 .微波技术的主要特点 普通无线电波段使用的振荡管和放大管不能用于产生 或放大微波。 微波波长与元器件的尺度可相比拟； 趋肤效应、辐射效应及延时效应明显表现，不可忽略。 不能用任意形状的导线来传输微波。 微波元器件中的电场与磁场是相互依托，共同存在的； 没有单纯的电阻 R 、电感 L或电容 C等集中参 数的元 器件及相应的由 L和 C组成振荡回路。 微波测量的基本参量不可能是电压、电流或电阻；而 是频率 f、功率 P、波的散射参量及等效的阻抗参量 。 普通栅控电子管在微波波段不能正常工作 例： 电子渡越时间 10-9秒 微波周期 T 10-9 10-12秒 阴栅分布电容 C 10 -12法 (f ) f 106 Hz 1/(C) 106 f 1010 Hz 1/(C) 100 C， f = 50Hz 波长 =? f = 50Hz 波长 =6000km f = 50MHz 波长 = 6 m f = 3GHz 波长 = 10cm . 导行波系统及传输线理论 导行波系统简介 平行双线和同轴线传输的 TEM波 TEM波传输线的等效电路 传输线的等效电路理论 （无损传输线方程的一般解） 传输线工作状态的分类 传输线的状态参量 导行波系统（引导电磁波定向传输的传输线） 如何正确选取传输线？ 为什么不同频段需采用不同的导行波传输线 ？ 导行波系统简介 * 功率容量 * 衰减大小 * 频带特性 * 尺寸合理性 电源 负载 各种传输线 不同频带的传输线 f 10MHz 100MHz 1000MHz 10GHz 100GHz 30 m 3 m 30 cm 3 cm 3mm 同轴线 波导管 平行双线 任意双线 受限于辐射损失 受限于辐射损失 受限于欧姆损耗 及功率容量 欧姆损耗 功率容量 受限于尺寸过大 传输线类型 微带 介质波导 受限于辐射损失 2.平行线和同轴线传输的 TEM波 H E E H E H E H TEM波传输线的等效电路 沿线分布串联阻抗和并联导纳 Z1 = R1+jL1 Y1 = G1+jC1 无损条件下，可忽略 R1， G1 微波频率下 L1 R1， C1 G1 Z1 = jXL = jL1 Y1 = jXC = jC1 分布参量 R1、 G1、 L1、和 C1随频率变化吗？ C1 C1 C1 C1 C1 L1 L1 L1 L1 L1 R1 L1 C1 G1 R1 L1 C1 G1 平行线和同轴线的分布参数 分布参量 L1， C1与工作频率无关 ) d Dln (/2C ) d Dln ( 2 L 1 1 亨 /米 法 /米 同轴线外导体的内径 D， 内 导体直径 d， 其间填充介质 常数为 及 ， 分布参量为 L1， C1 可见传输线分布参量 由系统 的尺寸及介质材料确定，与 频率无关； 但其呈现的阻抗是随频率而 变的 。 X L=L1 ， X C=C1 50Hz X L 5 10-5 欧 /米 X c 8 109 欧 /米 3000MHz X L 3000 欧 /米 X c 0.8 欧 /米 例： D/d=2.3，空气介质 ， D d 传输线等效电路理论 电源通过沿线的分布电感逐 步向分布电容充电，形成向 负载传输的电压波和电流波。 长线理论解电路方程，可求 得线上分布的等效电压和电 流波 ： u(z , t) , i(z , t) * 注意：习惯将坐标原点放在 负载参考面。 z o ZL i(z,t) u(z,t) 电 源 负 载 无损理想传输线方程的一般解 线上电压和电流分别都是由 入射波和反射波叠加而成。 四个波的相移常数 相同，且波 相速 VP相同，并无色散。 入射波电压与电流的幅值比及 反射波电压与电流的幅值比相等； 定义为：传输线的特性阻抗 Z0 VP和 Z0仅与传输线的 L1 , C1 有 关，与电源的频率 f和功率 P无关。 也与负载阻抗 ZL无关。 u(z,t)= ui (z,t)+ ur (z,t) i (z,t)= ii (z,t)+ ir (z,t) ui (z,t)=Uim Sin(t+ z +i ) ii (z,t) =Iim Sin(t+ z +i ) ur (z,t)=Urm Sin(t-z+r ) ir (z,t) =Irm Sin(t- z+r ) 电源的 f、 P和负载 ZL对传输线工作状态有影响吗？ 1 1 rm rm im im 0 11 P 11 C L I U I U Z CL 1 V CL 2 VP Z0 电源的频率 f 确定工作波长 及 相移常数 ； 波幅的绝对值由电源功率 P决定； 电源的内阻较为复杂，暂不讨论； 先假定 Zg = Z0 （ 源端无反射）。 传输线的工作 按 不同 负载 ZL的情 况，可分为行波、驻波和混波 三种状态 。 传输线工作状态的分类 电流入射波 z o 电流反射波 ZL Z0 Zg z o 电压入射波 电压反射波 z o z o 行波状态 Im Um 0 Z 电压入射波 电流入射波 Z0 z Zg o z o ZL 线上仅有入射波； 像波浪 一样向前传播； 线上波幅 Um ， I m不变 电压和电流波同位相 （ 波峰位置相同） 线上各处输入阻抗为常数 并等于 Z0 0 im imin Z I U )t,z(i )t,z(uZ 负载匹配 ZL = Z0 Umax Umin t1 t2 t3 t4 驻波状态 全反射 （例：终端短路 ZL = 0） Urm=Uim 入射波与反射波合成，保证负载处 u(0, t)=0 纯驻波像弦振动一样 原地振荡，不向前传播。 沿线存在驻波腹和波节点，两者 相距（ /4） 距离。 波峰 Umax=2Uim， 波节 Umin=0 入射波与反射波合成驻波 终端短路 ZL=0 u(0, t)=0 全反射 Uim =Urm Iim =Irm r = u(z,t) =2 UimSinz Cost i(z,t) =2 Iim Cosz Sint u(z,t)=Uimsin(t+z)+ Urmsin(t-z+r) i(z,t) = Iimsin(t+z) - Irmsin(t -z+ r) 终端开路 ZL= i(0, t)=0 全反射 Uim =Urm Iim =Irm r =0 u(z,t) =2 UimCosz Sint i(z,t) =2 Iim Sinz Cost 电流驻波与电压驻波在时间上相差（ /2） 空间上相差 （ /4） 距离。 电流驻波与电压驻波在时间上相差（ /2）空间上相差 （ /4） 距离。 沿线的输入阻抗是 以（ /2）为周期 变化的。 /4线具有阻抗倒转性。 )z2(tg0jZ)t,z(i )t,z(uinZ )z2(c t g0jZ)t,z(i )t,z(uinZ 全反射驻波的 输入阻抗 Zin(z) 纯虚数负载全反射 纯感负载 ZL = j XL 纯电容负载 ZL = j XL 电容负载 ZL =- j XC 问题：纯虚数负载输入阻抗 Zin(z)=? 混波状态 负载吸收部分功率 ，其余反射 反射 波小于入射波 Urm Uim ZL =R+jX Z0 沿线也存在驻波波腹和波节点， 波峰 Umax 2Uim， 波节 Umin 0 电流驻波与电压驻波在空间仍相 差 （ /4） 距离。 沿线的输入阻抗也是变化的。 线上是存在一个行波加一个驻波 的混波状态 传输线的状态参量 反射系数 z2)z( U U e r im rm j 驻波系数 )20( ) 2 l0( )( 4 l U U m i n m i n m i n m a x 输入阻抗 ztgjZZ ztgjZZ0in L0 0LZ)z(Z rmimm in rmimm a x UUU UUU Umax Umin /2 lmin lmino T参考面 传输线的状态参量转换关系 三套参量，同一对象；可相互转换 1 1 1 1 电压反射系数与电压驻波比 (VSWR) )1(PP ) 1 1( 2 0r 22 P 引入功率反射系数 1.0 0 1.0 纯驻波时 =？ =？ 行波状态时 =？ =？ =1.2 Pr/P0=？ 0.01 .微波在波导管中的传输 1.概述： 波导管可以传输什么样的电磁波？ 波导是怎样传输电磁波的？ 2.矩形波导中的电磁波 波导模式（波型） TE及 TM波的传输特性及参量 矩形波导的主模 TE10 3.圆波导中传输的电磁波简介 4.波导传输微波的功率特性 波导管可以传输什么样的电磁波 ？ 空心金属管中电磁波不可能自由传输 必须满足电磁场的基本规律 必须满足金属边界条件 空心金属管中能否存在静电场？ 矩形波导管中能否存在均匀分布的简谐 场 Ey =Em sint ? 空心波导管 能否传输 TEM波？ 微波理论和实验证明波导管中可以传输 TE 和 TM 波 TE波 ( H波 ) 横电波（ 磁波） 有 Hz分量 TM波 (E波 ) 横磁波（ 电波） 有 Ez分量 （不能） （不能） （不能） x z y 波导管是怎样传输电磁波的 ？ TEM波斜射进入波导，受金属壁来 回往返反射，曲折前进，通过波导。 入射波和反射波叠加合 成，可以在 波导中形成各种各样的 TE, TM波。 每个波型的电磁场在金属边界均满足 Et =0 Hn =0 横截面内是驻波场； 波导管是怎样传输电磁波的 ？ 理论分析结果每个波型在边界的入射角与 波长 必须恰当配合，才可能保证金属边 界 是切向电场 Et和 法向磁场 Hn的 波节点。 理论证明 越长 ,越小； =C 时 =0； 波不再可能纵向传输； 称 C 为截止波长。 不同的波型具有不同的 C。 沿纵向传输的导波波长（相波长） g不 同于自由波长 c cfV 1) (1C o s C o s g gp c 2 c g g a g 不同的波型在纵向传输的相速 VP 及导波 波长 g也不相同； C O Sa 例（如图为某一波型） 矩形波导的电磁波 存在无穷多个 TEmn和 TMmn的本征模式 (m=0,1,2. n=0,1,2) mn是模式标号，分别表示宽边和窄边上的驻波波腹数 本征模式：可以单独存在的某一种基本的电磁场形态 各种模式的场可以叠加成复杂的场存在与波导中。 通常采用单模工作状态。 矩形波导中 TE和 TM波的传输特性参量 由波导尺寸（ a， b)及模式标号决定。 TEmn ， TMmn波型不同， c相同。 TE和 TM波 是色散波相速和群速均随频率变化 2 p 2 c 2 c p 2 c g 22 c CVgV ) (1CVg ) (1/CV ) (1/ ) b2 n () a2 m ( 1 c 2b a 2a TE30 TE01 TE20 TE10 截止 单模 多模区 c V TEM C VpC Vg C Vg=Vp 矩形波导的 TE10模的 C最长，称为最低模 称其他模为高次模。 TE10模的 C=2a, 2a, 则全都截止。 TE10模可实现单模工作，是矩形波导的主模。 矩形波导传输的主模 TE10 常用 10cm波段的波导 a 7.2cm b 3.4cm C=14.4cm fc=? f=2998MHz =10cm g =? 13.9cm 2080MHz 圆波导中传输的电磁波简介 基本概念与矩形波导一样 TEM波斜射，金属壁反射 无穷多 TEmn , TMmn 本征模 m标注辐向， n标注径向 c 可传输， g ， Vp c 常用的模式特点 TM01 有 EZ场 , 可用与和电子 相互作用（加模片成盘菏波导 ) TE11 最低模，辐向变一周期 径向有一波腹，用于与矩形波 导连接（波导窗，磁控管的方 圆转换） TE01 圆电模式 ,损耗最小 ,高 Q腔 功率容量 最大允许通过功率 Pmax （平均值） 与波导尺寸，工作 频率 及场强 Em 有关。 Pmax 受限于 场强 Em 的击穿值 Eb， 与 波 导的清洁度及光洁度有关，但更主要的 是决定与波导内的介质情况。 实际值往往仅为理论值 (2030)% 例： 72x34mm2 波导 ,理论 (2.23.2MW） 提高击穿值 Eb可采用的措施： 抽真空 (低真空 Eb最低） 充干燥过滤的压缩空气或氮气 （ 23气压，太大波导会变形） 充 SF6气体 波导传输微波的功率特性 30 Eb p KV/cm 760mmHg 实际波导金属材料不是理想导体， 是良导体。电磁波在内壁有高频 感应面电流（例 TE10 波） 传输过程中，波导发热，功率 损耗，指数衰减。 E(z)=E0e -z P(z)=P0e -z 衰减单位（分贝， db) db68.8N e p1 N e p P P ln 2 1 B db P P lg10A 0 0 ）（ ）（ A=3db P=0.5P0 A=10db P=0.1P0 A=20db P=0.01P0 损耗与衰减 .常用的微波元件 1.无源微波传输元器件的作用 2.各种微波元器件简介 匹配负载，短路活塞，波导同轴转换 衰减器，移相器， 波导三通（ E-T,H-T) 定向耦合器 波导双 T和魔 T 3.波导使用时的几个实际问题 无源微波传输元器件的作用 定向传输： 弯波导，角波导，扭波导 分配 &合成： E-T, H-T， 功率调配： 衰减器，移相器 定向耦合： 定向耦合器，波导桥 隔离去耦： 隔离器，环流器 阻抗匹配： 吸收负载，阻抗调配器 波型转换： 同轴线与波导，方圆转换 盘菏波导耦合器 其 他： 波导窗，波导三通 内部没有电子束运动的器件叫无源器件 微波元件的功能在于对微波 进行各种变换，以达到 各种目的。 弯波导，角波导，扭波导 保证微波定向传输，机械安装要求 主要要求，附加反射小 R大好， L为 (g /4)的奇数倍好 波导法兰接头 增加损耗， 发生反射， 泄漏微波， 放电打火 波导连接是保证微波正常传输的重 要环节连接不好有下列问题发生： 终端匹配负载 单端口元件 理想的匹配负载应无反射 按传输线类型分别有同轴， 波导微带线的负载 功率容量不同的负载结构 不同 主要指标 功率容量 VSWR （ 电压 驻波比） 衰减器和移相器 用于调配功率及相位 外形结构相象，区别 区别在于介质片上是 否涂有电阻性吸收薄 膜。 介质片调至波导中间 时，作用最大。 定向耦合器 具有方向性的功率采样器 用于功率，频率等参量的监测及提供 控制电路需要的信号 主要指标 耦合度 ）（ dbP Plg10C 4 1 ）（ dbPPlg10D 34 方向性 副波导 主波导 1口 3口 2口 4口 /4 隔离器与环流器 防止传输系统中的反射波进入微波功率源， 隔离器利用了各向异性的铁氧体材料，在 外加磁场的作用下，对微 波呈现方向性 ； 入射波可无衰减通过，反射波则被吸收。 隔离器的主要参数：（例 GLS-1型） 工作频带 ： 2998 10MHz 正向衰减 ： 0.5db 反向隔离： 30db 功率容量： 2MW(脉冲 ) 2KW(平均 ) 使用大功率隔离器特别注意： 磁场、冷却及充气气压要求； 不要用铁制工具； 附近不要放磁性材料。 环行器与魔 T 双 T和魔 T 四端环流器 四端环流器的工作原理 1 D B 3 2 4 A C B 0EE4E ) 2 tc os (EEEE )tc os ( 2 E 2 1 E ) 2 tc os ( 2 E 2 1 E ) 2 2 tc os ( 2 E 2 1 E ) 2 tc os ( 2 E 2 1 E )tc os ( 2 E E ) 2 tc os ( 2 E E )tc os ( 2 E E )tc os ( 2 E E )tc os (EE 4D4c 02D2c2 0 4D 0 2D 0 4C 0 2C 0 D 0 C 0 0 B 0 0 A 01 E4=0 波导窗 .驻波加速器的微波传输系统举例 四端环流器 磁控管 水负载 1口 3口 2口 4口 方圆转换 弯波导 直波导 加速管 软波导 波导窗 钛泵