加速器微波技術講座(總).ppt

低能電子直線加速器微波技術基礎 微波與電磁波譜簡介 電磁波基本知識回顧 微波技術的主要特點 導行波系統(tǒng)及傳輸線理論 微波在波導管中的傳輸 常用的微波元件 駐波加速器的微波傳輸系統(tǒng)舉例 微波與電磁波譜簡介 微波是電磁波譜中介于普通無線電波與紅外線之間的波段 波長不同的電磁波在產(chǎn)生 傳輸技術及應用等方面都將具有不同的特點 發(fā)展了不同的學科 微波波段頻率f 300MHz 300GHz波長 1m 1mm 代號f GHz 標稱波長 cm L1 222S2 410C4 85X8 123 1 電磁波的產(chǎn)生2 電磁波的傳播特性平面電磁波在均勻無損媒質(zhì)中的傳播平面電磁波在有損媒質(zhì)中的傳播電磁波在媒質(zhì)交界面處的傳播規(guī)律 電磁波基本知識回顧 電磁波的產(chǎn)生 電流激發(fā)磁場沒有單磁極子磁力線是圍繞電流的閉合曲線 隨時間交變的電場感生交變的渦旋磁場隨時間交變的磁場感生交變的渦旋電場 電磁波的產(chǎn)生 交變電場與交變磁場交互感應 相互支持 在空間形成統(tǒng)一的從振源開始 由近及遠 在空間傳播的電磁波振源近區(qū)的場分布很復雜 遠區(qū)則呈球?qū)ΨQ分布 在離源更遠的區(qū)域 球面則近似為平面波 真空或理想無損媒質(zhì) 導電率 0 橫電磁波 TEM波 按單一頻率 正旋規(guī)律變化的平面電磁波是簡諧等幅的行波 電磁波傳播速度與頻率無關 決定于介質(zhì)的介電常數(shù) 和導磁系數(shù) 在真空中即為光速 C 3 108米 秒 波阻抗 Em Hm在真空中 0 377 平面電磁波在均勻無損媒質(zhì)中的傳播 有損媒質(zhì) 導電率 0 仍然是橫電磁波 TEM波 單一頻率 的平面電磁波 沿傳播方向是振幅衰減的行波 波傳播速度V與介質(zhì)的 及 有關 并隨頻率 變化 是色散波 波阻抗變?yōu)閺蛿?shù) 并是頻率的函數(shù) 即電波與磁波之間有相位差 波傳輸常數(shù)變?yōu)閺蛿?shù)k j 平面電磁波在均勻有損媒質(zhì)中的傳播 有損媒質(zhì) 無損媒質(zhì) 平面電磁波在良導體中傳播的特點 很大 波相速很慢 很小 波阻抗低 即磁場較強 電場較弱 很大 衰減很快 定義趨膚深度 為場強衰減到1 e 0 368倍的距離 例 銅 5 8 107米 秒f 3000MHz條件下 1 2微米 良導體 電磁波在媒質(zhì)交界面的傳播特性 媒質(zhì)1中的一束入射波在交界面處將產(chǎn)生一束反射波和一束透射波 線性媒質(zhì)中三束波的頻率一致 三束波的波矢量同在一個入射平面上 入射平面與交界面相互垂直 反射角與入射角相等 r i折射角與入射角有關系式為 三個波的波幅關系要滿足介質(zhì)交界面處電磁場的邊界條件 三個波的波幅關系要滿足介質(zhì)交界面處電磁場的邊界條件 三個波的波幅關系要滿足介質(zhì)交界面處電磁場的邊界條件 理想導體 2 交界面上有薄層 自由 面電荷 s和 傳導 面電流js 在理想導體表面處 入射波和反射波合成的結(jié)果滿足 電力線一定垂直于導體表面 磁力線一定平行于導體表面 良導體 如銅 銀等 很大 可近似為理想導體處理 理想導體表面的邊界條件 微波技術的主要特點 普通無線電波段使用的振蕩管和放大管不能用于產(chǎn)生或放大微波 微波波長與元器件的尺度可相比擬 趨膚效應 輻射效應及延時效應明顯表現(xiàn) 不可忽略 不能用任意形狀的導線來傳輸微波 微波元器件中的電場與磁場是相互依托 共同存在的 沒有單純的電阻R 電感L或電容C等集中參數(shù)的元器件及相應的由L和C組成振蕩回路 微波測量的基本參量不可能是電壓 電流或電阻 而是頻率f 功率P 波的散射參量及等效的阻抗參量 普通柵控電子管在微波波段不能正常工作 例 電子渡越時間 10 9秒微波周期T 10 9 10 12秒陰柵分布電容C 10 12法 f f 106Hz1 C 106 f 1010Hz1 C 100 f 50Hz波長 f 50Hz波長 6000km f 50MHz波長 6m f 3GHz波長 10cm 導行波系統(tǒng)及傳輸線理論 導行波系統(tǒng)簡介 平行雙線和同軸線傳輸?shù)腡EM波 TEM波傳輸線的等效電路 傳輸線的等效電路理論 無損傳輸線方程的一般解 傳輸線工作狀態(tài)的分類 傳輸線的狀態(tài)參量 導行波系統(tǒng) 引導電磁波定向傳輸?shù)膫鬏斁€ 如何正確選取傳輸線 為什么不同頻段需采用不同的導行波傳輸線 導行波系統(tǒng)簡介 功率容量衰減大小頻帶特性尺寸合理性 各種傳輸線 不同頻帶的傳輸線 同軸線 波導管 平行雙線 任意雙線 受限于輻射損失 受限于輻射損失 受限于歐姆損耗及功率容量 歐姆損耗功率容量 受限于尺寸過大 傳輸線類型 微帶 介質(zhì)波導 受限于輻射損失 2 平行線和同軸線傳輸?shù)腡EM波 TEM波傳輸線的等效電路 沿線分布串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導納Z1 R1 j L1Y1 G1 j C1無損條件下 可忽略R1 G1微波頻率下 L1 R1 C1 G1Z1 jXL j L1Y1 jXC j C1 分布參量R1 G1 L1 和C1隨頻率變化嗎 平行線和同軸線的分布參數(shù) 分布參量L1 C1與工作頻率無關 同軸線外導體的內(nèi)徑D 內(nèi)導體直徑d 其間填充介質(zhì)常數(shù)為 及 分布參量為L1 C1可見傳輸線分布參量由系統(tǒng)的尺寸及介質(zhì)材料確定 與頻率無關 但其呈現(xiàn)的阻抗是隨頻率而變的 XL L1 XC C1 D d 傳輸線等效電路理論 電源通過沿線的分布電感逐步向分布電容充電 形成向負載傳輸?shù)碾妷翰ê碗娏鞑?長線理論解電路方程 可求得線上分布的等效電壓和電流波 u z t i z t 注意 習慣將坐標原點放在負載參考面 無損理想傳輸線方程的一般解 線上電壓和電流分別都是由入射波和反射波疊加而成 四個波的相移常數(shù) 相同 且波相速VP相同 并無色散 入射波電壓與電流的幅值比及反射波電壓與電流的幅值比相等 定義為 傳輸線的特性阻抗Z0 VP和Z0僅與傳輸線的L1 C1有關 與電源的頻率f和功率P無關 也與負載阻抗ZL無關 電源的f P和負載ZL對傳輸線工作狀態(tài)有影響嗎 Z0 電源的頻率f確定工作波長 及相移常數(shù) 波幅的絕對值由電源功率P決定 電源的內(nèi)阻較為復雜 暫不討論 先假定Zg Z0 源端無反射 傳輸線的工作按不同負載ZL的情況 可分為行波 駐波和混波三種狀態(tài) 傳輸線工作狀態(tài)的分類 電流入射波 行波狀態(tài) 線上僅有入射波 像波浪一樣向前傳播 線上各處輸入阻抗為常數(shù)并等于Z0 負載匹配ZL Z0 駐波狀態(tài) 入射波與反射波合成駐波 終端短路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 終端開路ZL i 0 t 0全反射Uim UrmIim Irm r 0u z t 2UimCos zSin ti z t 2IimSin zCos t 電流駐波與電壓駐波在時間上相差 2 空間上相差 4 距離 電流駐波與電壓駐波在時間上相差 2 空間上相差 4 距離 沿線的輸入阻抗是以 2 為周期變化的 4線具有阻抗倒轉(zhuǎn)性 全反射駐波的輸入阻抗Zin z 純虛數(shù)負載全反射 純感負載ZL jXL 純電容負載ZL jXL 電容負載ZL jXC 問題 純虛數(shù)負載輸入阻抗Zin z 混波狀態(tài) 傳輸線的狀態(tài)參量 反射系數(shù) 駐波系數(shù) 輸入阻抗 傳輸線的狀態(tài)參量轉(zhuǎn)換關系 三套參量 同一對象 可相互轉(zhuǎn)換 電壓反射系數(shù)與電壓駐波比 VSWR 引入功率反射系數(shù) 1 00 1 0 0 01 微波在波導管中的傳輸 1 概述 波導管可以傳輸什么樣的電磁波 波導是怎樣傳輸電磁波的 2 矩形波導中的電磁波波導模式 波型 TE及TM波的傳輸特性及參量矩形波導的主模TE103 圓波導中傳輸?shù)碾姶挪ê喗? 波導傳輸微波的功率特性 波導管可以傳輸什么樣的電磁波 空心金屬管中電磁波不可能自由傳輸必須滿足電磁場的基本規(guī)律必須滿足金屬邊界條件 空心金屬管中能否存在靜電場 矩形波導管中能否存在均勻分布的簡諧場Ey Emsin t 空心波導管能否傳輸TEM波 微波理論和實驗證明波導管中可以傳輸TE和TM波TE波 H波 橫電波 磁波 有Hz分量TM波 E波 橫磁波 電波 有Ez分量 不能 不能 不能 波導管是怎樣傳輸電磁波的 TEM波斜射進入波導 受金屬壁來回往返反射 曲折前進 通過波導 入射波和反射波疊加合成 可以在波導中形成各種各樣的TE TM波 每個波型的電磁場在金屬邊界均滿足Et 0Hn 0橫截面內(nèi)是駐波場 波導管是怎樣傳輸電磁波的 矩形波導的電磁波 存在無窮多個TEmn和TMmn的本征模式 m 0 1 2 n 0 1 2 mn是模式標號 分別表示寬邊和窄邊上的駐波波腹數(shù)本征模式 可以單獨存在的某一種基本的電磁場形態(tài)各種模式的場可以疊加成復雜的場存在與波導中 通常采用單模工作狀態(tài) 矩形波導中TE和TM波的傳輸特性參量 由波導尺寸 a b 及模式標號決定 TEmn TMmn波型不同 c相同 TE和TM波是色散波相速和群速均隨頻率變化 矩形波導的TE10模的 C最長 稱為最低模稱其他模為高次模 TE10模的 C 2a 2a 則全都截止 TE10?？蓪崿F(xiàn)單模工作 是矩形波導的主模 矩形波導傳輸?shù)闹髂E10 常用10cm波段的波導a 7 2cmb 3 4cm C 14 4cmfc f 2998MHz 10cm g 13 9cm 2080MHz 圓波導中傳輸?shù)碾姶挪ê喗?基本概念與矩形波導一樣TEM波斜射 金屬壁反射無窮多TEmn TMmn本征模m標注輻向 n標注徑向 c可傳輸 g Vp c 常用的模式特點TM01有EZ場 可用與和電子相互作用 加模片成盤菏波導 TE11最低模 輻向變一周期徑向有一波腹 用于與矩形波導連接 波導窗 磁控管的方圓轉(zhuǎn)換 TE01圓電模式 損耗最小 高Q腔 波導傳輸微波的功率特性 實際波導金屬材料不是理想導體 是良導體 電磁波在內(nèi)壁有高頻感應面電流 例TE10波 傳輸過程中 波導發(fā)熱 功率損耗 指數(shù)衰減 E z E0e zP z P0e z衰減單位 分貝 db A 3dbP 0 5P0A 10dbP 0 1P0A 20dbP 0 01P0 損耗與衰減 常用的微波元件 1 無源微波傳輸元器件的作用2 各種微波元器件簡介匹配負載 短路活塞 波導同軸轉(zhuǎn)換衰減器 移相器 波導三通 E T H T 定向耦合器波導雙T和魔T3 波導使用時的幾個實際問題 無源微波傳輸元器件的作用 定向傳輸 彎波導 角波導 扭波導分配 合成 E T H T 功率調(diào)配 衰減器 移相器定向耦合 定向耦合器 波導橋隔離去耦 隔離器 環(huán)流器阻抗匹配 吸收負載 阻抗調(diào)配器波型轉(zhuǎn)換 同軸線與波導 方圓轉(zhuǎn)換盤菏波導耦合器其他 波導窗 波導三通 內(nèi)部沒有電子束運動的器件叫無源器件微波元件的功能在于對微波進行各種變換 以達到各種目的 彎波導 角波導 扭波導 保證微波定向傳輸 機械安裝要求主要要求 附加反射小R大好 L為 g 4 的奇數(shù)倍好 波導法蘭接頭 增加損耗 發(fā)生反射 泄漏微波 放電打火 波導連接是保證微波正常傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)連接不好有下列問題發(fā)生 終端匹配負載 單端口元件理想的匹配負載應無反射按傳輸線類型分別有同軸 波導微帶線的負載功率容量不同的負載結(jié)構(gòu)不同 主要指標功率容量VSWR 電壓駐波比 衰減器和移相器 用于調(diào)配功率及相位外形結(jié)構(gòu)相象 區(qū)別區(qū)別在于介質(zhì)片上是否涂有電阻性吸收薄膜 介質(zhì)片調(diào)至波導中間時 作用最大 定向耦合器 具有方向性的功率采樣器用于功率 頻率等參量的監(jiān)測及提供控制電路需要的信號 隔離器與環(huán)流器 防止傳輸系統(tǒng)中的反射波進入微波功率源 隔離器利用了各向異性的鐵氧體材料 在外加磁場的作用下 對微波呈現(xiàn)方向性 入射波可無衰減通過 反射波則被吸收 隔離器的主要參數(shù) 例GLS 1型 工作頻帶 2998 10MHz正向衰減 0 5db反向隔離 30db功率容量 2MW 脈沖 2KW 平均 使用大功率隔離器特別注意 磁場 冷卻及充氣氣壓要求 不要用鐵制工具 附近不要放磁性材料 環(huán)行器與魔T 雙T和魔T 四端環(huán)流器 四端環(huán)流器的工作原理 E4 0 波導窗 駐波加速器的微波傳輸系統(tǒng)舉例