加速器微波技术讲座(总).ppt

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 L1 222S2 410C4 85X8 123 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 电流激发磁场没有单磁极子磁力线是围绕电流的闭合曲线 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 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 C 3 108米 秒 波阻抗 Em Hm在真空中 0 377 平面电磁波在均匀无损媒质中的传播 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 平面电磁波在均匀有损媒质中的传播 有损媒质 无损媒质 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 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 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 理想导体 2 交界面上有薄层 自由 面电荷 s和 传导 面电流js 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 106Hz1 C 106 f 1010Hz1 C 100 f 50Hz波长 f 50Hz波长 6000km f 50MHz波长 6m 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 各种传输线 不同频带的传输线 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 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 j L1Y1 G1 j C1无损条件下 可忽略R1 G1微波频率下 L1 R1 C1 G1Z1 jXL j L1Y1 jXC j C1 分布参量R1 G1 L1 和C1随频率变化吗 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 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 XL L1 XC C1 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 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 电源的f P和负载ZL对传输线工作状态有影响吗 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 行波状态 线上仅有入射波 像波浪一样向前传播 线上各处输入阻抗为常数并等于Z0 负载匹配ZL Z0 驻波状态 入射波与反射波合成驻波 终端短路ZL 0u 0 t 0全反射Uim UrmIim Irm r u z t 2UimSin zCos ti z t 2IimCos zSin t 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 UrmIim Irm r 0u z t 2UimCos zSin ti z t 2IimSin zCos t 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 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 jXL 纯电容负载ZL jXL 电容负载ZL jXC 问题 纯虚数负载输入阻抗Zin z 混波状态 传输线的状态参量 反射系数 驻波系数 输入阻抗 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 电压反射系数与电压驻波比 VSWR 引入功率反射系数 1 00 1 0 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TE103 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 Emsin t 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 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 0Hn 0横截面内是驻波场 波导管是怎样传输电磁波的 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 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 2cmb 3 4cm C 14 4cmfc 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 波导传输微波的功率特性 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 zP z P0e z衰减单位 分贝 db A 3dbP 0 5P0A 10dbP 0 1P0A 20dbP 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T3 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 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 E4 0 波导窗 驻波加速器的微波传输系统举例