加速器微波技術(shù)講座總課件

低能電子直線加速器微波技術(shù)基礎(chǔ)Ⅰ.微波與電磁波譜簡(jiǎn)介Ⅱ.電磁波基本知識(shí)回顧Ⅲ.微波技術(shù)的主要特點(diǎn)Ⅳ.導(dǎo)行波系統(tǒng)及傳輸線理論Ⅴ.微波在波導(dǎo)管中的傳輸Ⅵ.常用的微波元件Ⅶ.駐波加速器的微波傳輸系統(tǒng)舉例Ⅰ.微波與電磁波譜簡(jiǎn)介微波是電磁波譜中介于普通無(wú)線電波與紅外線之間的波段。波長(zhǎng)不同的電磁波在產(chǎn)生、傳輸技術(shù)及應(yīng)用等方面都將具有不同的特點(diǎn)；發(fā)展了不同的學(xué)科。微波波段

頻率f:300MHz~300GHz波長(zhǎng)λ:1m~1mm代號(hào) f（GHz）標(biāo)稱(chēng)波長(zhǎng)（cm） L 1~2 22 S 2~4 10C 4~8 5X 8~12 3電磁波的產(chǎn)生電荷激發(fā)電場(chǎng)電力線+

-電流激發(fā)磁場(chǎng)沒(méi)有單磁極子磁力線是圍繞電流的閉合曲線

EH隨時(shí)間交變的電場(chǎng)感生交變的渦旋磁場(chǎng)隨時(shí)間交變的磁場(chǎng)感生交變的渦旋電場(chǎng)電磁波的產(chǎn)生交變電場(chǎng)與交變磁場(chǎng)交互感應(yīng)，相互支持，在空間形成統(tǒng)一的從振源開(kāi)始，由近及遠(yuǎn)，在空間傳播的電磁波振源近區(qū)的場(chǎng)分布很復(fù)雜，遠(yuǎn)區(qū)則呈球?qū)ΨQ(chēng)分布。在離源更遠(yuǎn)的區(qū)域，球面則近似為平面波。xyzxyzω真空或理想無(wú)損媒質(zhì)（導(dǎo)電率σ=0）橫電磁波（TEM波）按單一頻率ω正旋規(guī)律變化的平面電磁波是簡(jiǎn)諧等幅的行波。電磁波傳播速度與頻率無(wú)關(guān)，決定于介質(zhì)的介電常數(shù)ε和導(dǎo)磁系數(shù)μ在真空中即為光速.C≈3×108米/秒。波阻抗η=Em/Hm在真空中η0=377Ω平面電磁波在均勻無(wú)損媒質(zhì)中的傳播平面電磁波在良導(dǎo)體中傳播的特點(diǎn)β很大，波相速很慢。η很小，波阻抗低，即磁場(chǎng)較強(qiáng)，電場(chǎng)較弱。α很大，衰減很快。定義趨膚深度δ為場(chǎng)強(qiáng)衰減到1/e=0.368倍的距離。例：銅σ=5.8×107米/秒

f=3000MHz條件下

δ=1.2微米良導(dǎo)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(gè)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θr=θi

折射角與入射角有關(guān)系式為：三個(gè)波的波幅關(guān)系要滿(mǎn)足介質(zhì)交界面處電磁場(chǎng)的邊界條件三個(gè)波的波幅關(guān)系要滿(mǎn)足介質(zhì)交界面處電磁場(chǎng)的邊界條件介質(zhì)1介質(zhì)2理想介質(zhì)（σ1=σ2=0）交界面上沒(méi)有自由電荷也沒(méi)有傳導(dǎo)電流。E1t=E2tε1E1n

=ε2E2nH1t=H2tμ1H1n

=μ2H2n理想導(dǎo)體（σ2→∞）交界面上有薄層（自由）面電荷ρs

和（傳導(dǎo)）面電流js。在理想導(dǎo)體表面處，入射波和反射波合成的結(jié)果滿(mǎn)足：電力線一定垂直于導(dǎo)體表面。磁力線一定平行于導(dǎo)體表面。良導(dǎo)體（如銅，銀等）σ很大，可近似為理想導(dǎo)體處理。++

+

++++理想導(dǎo)體σ2→∞E=0B=0.ρsjsE1t=0

D1n=ρsH1t=js

B1n=0理想導(dǎo)體表面的邊界條件Ⅲ.微波技術(shù)的主要特點(diǎn)普通無(wú)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(zhǎng)與元器件的尺度可相比擬；趨膚效應(yīng)、輻射效應(yīng)及延時(shí)效應(yīng)明顯表現(xiàn)，不可忽略。不能用任意形狀的導(dǎo)線來(lái)傳輸微波。微波元器件中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)是相互依托，共同存在的；沒(méi)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(yīng)的由L和C組成振蕩回路。微波測(cè)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(shí)間τ≈10-9秒微波周期T≈10-9~

10-12秒陰柵分布電容C’~10-12法(μμf)f~

106Hz1/(ωC’)~106Ωf~

1010Hz1/(ωC’)~100ΩC，Ⅳ.導(dǎo)行波系統(tǒng)及傳輸線理論⒈導(dǎo)行波系統(tǒng)簡(jiǎn)介⒉平行雙線和同軸線傳輸?shù)腡EM波⒊TEM波傳輸線的等效電路⒋傳輸線的等效電路理論

（無(wú)損傳輸線方程的一般解）⒌傳輸線工作狀態(tài)的分類(lèi)⒍傳輸線的狀態(tài)參量導(dǎo)行波系統(tǒng)（引導(dǎo)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(dǎo)行波傳輸線？⒈導(dǎo)行波系統(tǒng)簡(jiǎn)介功率容量衰減大小頻帶特性尺寸合理性電源負(fù)載各種傳輸線2.平行線和同軸線傳輸?shù)腡EM波··················································××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××·························××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××λ························································××××××××××××××××××××××××××HEE×HEHE×H⒊TEM波傳輸線的等效電路沿線分布串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納Z1=R1+jωL1Y1=G1+jωC1無(wú)損條件下，可忽略R1，G1微波頻率下ωL1＞＞

R1，

ωC1＞＞G1

Z1=jXL=jωL1

Y1=jXC=jωC1分布參量R1、G1、

L1、和C1隨頻率變化嗎？C1C1C1C1C1L1L1L1L1L1R1L1C1G1R1L1C1G1平行線和同軸線的分布參數(shù)⒋傳輸線等效電路理論電源通過(guò)沿線的分布電感逐步向分布電容充電，形成向負(fù)載傳輸?shù)碾妷翰ê碗娏鞑?。長(zhǎng)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(xí)慣將坐標(biāo)原點(diǎn)放在

負(fù)載參考面。

zo～ZLi(z,t)u(z,t)電源負(fù)載無(wú)損理想傳輸線方程的一般解⑴線上電壓和電流分別都是由入射波和反射波疊加而成。⑵四個(gè)波的相移常數(shù)β相同，且波相速VP相同，并無(wú)色散。⑶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Z0⑷VP和Z0僅與傳輸線的L1,C1

有關(guān)，與電源的頻率f和功率P無(wú)關(guān)。也與負(fù)載阻抗ZL無(wú)關(guān)。

u(z,t)=ui(z,t)+ur(z,t)i(z,t)=ii(z,t)+ir(z,t)

ui(z,t)=UimSin(ωt+βz+φi)

ii(z,t)=IimSin(ωt+βz+φi)

ur(z,t)=UrmSin(ωt-βz+φr)

ir(z,t)=IrmSin(ωt-βz+φr)電源的f、P和負(fù)載ZL對(duì)傳輸線工作狀態(tài)有影響嗎？VPβωZ0ω│Umax││Umin│t1t2t3t4駐波狀態(tài)

全反射（例：終端短路ZL=0）

Urm=Uim入射波與反射波合成，保證負(fù)載處

u(0,t)=0

純駐波像弦振動(dòng)一樣原地振蕩，不向前傳播。沿線存在駐波腹和波節(jié)點(diǎn)，兩者相距（λ/4）距離。波峰Umax=2Uim，波節(jié)Umin=0

入射波與反射波合成駐波終端短路ZL=0

u(0,t)=0

全反射Uim

=Urm

Iim

=Irm

φr

=π

u(z,t)=2UimSinβzCosωti(z,t)=2IimCosβzSinωtu(z,t)=Uimsin(ωt+βz)+Urmsin(ωt-βz+φr)

i(z,t)=Iimsin(ωt+βz)-Irmsin(ωt-βz+φr)終端開(kāi)路ZL=∝i(0,t)=0

全反射Uim

=Urm

Iim

=Irm

φr

=0

u(z,t)=2UimCosβzSinωti(z,t)=2IimSinβzCosωt電流駐波與電壓駐波在時(shí)間上相差（π/2）空間上相差（λ/4）距離。電流駐波與電壓駐波在時(shí)間上相差（π/2）空間上相差（λ/4）距離。

沿線的輸入阻抗是以（λ/2）為周期變化的。

λ/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(fù)載全反射

純感負(fù)載ZL=jXL純電容負(fù)載ZL=jXL電容負(fù)載ZL=-jXC問(wèn)題：純虛數(shù)負(fù)載輸入阻抗Zin(z)=?混波狀態(tài)負(fù)載吸收部分功率，其余反射反射波小于入射波Urm＞Uim

ZL=R+jX≠Z0沿線也存在駐波波腹和波節(jié)點(diǎn)，波峰Umax＜2Uim，波節(jié)Umin＞0

電流駐波與電壓駐波在空間仍相差（λ/4）距離。沿線的輸入阻抗也是變化的。

線上是存在一個(gè)行波加一個(gè)駐波的混波狀態(tài)

傳輸線的狀態(tài)參量反射系數(shù)

駐波系數(shù)

輸入阻抗

│Umax││Umin│λ/2lminlminoT參考面?zhèn)鬏斁€的狀態(tài)參量轉(zhuǎn)換關(guān)系三套參量，同一對(duì)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純駐波時(shí)ρ=？│Γ│=？行波狀態(tài)時(shí)ρ=？│Γ│=？ρ=1.2Pr/P0=？≤0.01Ⅴ.微波在波導(dǎo)管中的傳輸1.概述：波導(dǎo)管可以傳輸什么樣的電磁波？波導(dǎo)是怎樣傳輸電磁波的？2.矩形波導(dǎo)中的電磁波波導(dǎo)模式（波型）TE及TM波的傳輸特性及參量矩形波導(dǎo)的主模TE103.圓波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ê?jiǎn)介4.波導(dǎo)傳輸微波的功率特性波導(dǎo)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(mǎn)足電磁場(chǎng)的基本規(guī)律必須滿(mǎn)足金屬邊界條件空心金屬管中能否存在靜電場(chǎng)？矩形波導(dǎo)管中能否存在均勻分布的簡(jiǎn)諧場(chǎng)Ey=Emsinωt?空心波導(dǎo)管能否傳輸TEM波？微波理論和實(shí)驗(yàn)證明波導(dǎo)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）xzy

波導(dǎo)管是怎樣傳輸電磁波的？TEM波斜射進(jìn)入波導(dǎo)，受金屬壁來(lái)回往返反射，曲折前進(jìn)，通過(guò)波導(dǎo)。入射波和反射波疊加合成，可以在波導(dǎo)中形成各種各樣的TE,TM波。每個(gè)波型的電磁場(chǎng)在金屬邊界均滿(mǎn)足

Et=0Hn

=0橫截面內(nèi)是駐波場(chǎng)；波導(dǎo)管是怎樣傳輸電磁波的？理論分析結(jié)果每個(gè)波型在邊界的入射角與波長(zhǎng)λ必須恰當(dāng)配合，才可能保證金屬邊界是切向電場(chǎng)Et和法向磁場(chǎng)Hn的波節(jié)點(diǎn)。理論證明λ越長(zhǎng),θ越?。沪?λC

時(shí)θ=0；波不再可能縱向傳輸；稱(chēng)λC為截止波長(zhǎng)。不同的波型具有不同的λC。沿縱向傳輸?shù)膶?dǎo)波波長(zhǎng)（相波長(zhǎng)）λg不同于自由波長(zhǎng)λθaλλg不同的波型在縱向傳輸?shù)南嗨賄P及導(dǎo)波波長(zhǎng)λg也不相同；例（如圖為某一波型）矩形波導(dǎo)的電磁波存在無(wú)窮多個(gè)TEmn和TMmn的本征模式(m=0,1,2..n=0,1,2…)mn是模式標(biāo)號(hào)，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(dú)存在的某一種基本的電磁場(chǎng)形態(tài)各種模式的場(chǎng)可以疊加成復(fù)雜的場(chǎng)存在與波導(dǎo)中。通常采用單模工作狀態(tài)。矩形波導(dǎo)中TE和TM波的傳輸特性參量由波導(dǎo)尺寸（a，b)及模式標(biāo)號(hào)決定。TEmn，TMmn波型不同，λc相同。TE和TM波是色散波相速和群速均隨頻率變化λc2ba2aTE30TE01TE20TE10截止單模多模區(qū)λcλVTEMCVp>CVg>CVg=Vp矩形波導(dǎo)的TE10模的λC最長(zhǎng)，稱(chēng)為最低模稱(chēng)其他模為高次模。

TE10模的λC=2a,λ>2a,則全都截止。TE10?？蓪?shí)現(xiàn)單模工作，是矩形波導(dǎo)的主模。矩形波導(dǎo)傳輸?shù)闹髂E10常用10cm波段的波導(dǎo)a≌7.2cmb≌3.4cmλC=14.4cm

fc=?f=2998MHzλ=10cmλg=?13.9cm~2080MHz圓波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ê?jiǎn)介基本概念與矩形波導(dǎo)一樣TEM波斜射，金屬壁反射無(wú)窮多TEmn,TMmn

本征模m標(biāo)注輻向，n標(biāo)注徑向λ＜λc

可傳輸，λg＞λ，Vp＞c

常用的模式特點(diǎn)TM01有EZ場(chǎng),可用與和電子相互作用（加模片成盤(pán)菏波導(dǎo))TE11

最低模，輻向變一周期徑向有一波腹，用于與矩形波導(dǎo)連接（波導(dǎo)窗，磁控管的方圓轉(zhuǎn)換）TE01

圓電模式,損耗最小,高Q腔⑴功率容量

最大允許通過(guò)功率Pmax（平均值）與波導(dǎo)尺寸，工作頻率及場(chǎng)強(qiáng)Em

有關(guān)。

Pmax受限于場(chǎng)強(qiáng)Em

的擊穿值Eb，與

波導(dǎo)的清潔度及光潔度有關(guān)，但更主要的是決定與波導(dǎo)內(nèi)的介質(zhì)情況。實(shí)際值往往僅為理論值(20~30)%例：72x34mm2

波導(dǎo),理論(2.2~3.2MW）

⑵提高擊穿值Eb可采用的措施：

抽真空(低真空Eb最低）充干燥過(guò)濾的壓縮空氣或氮?dú)猓?~3氣壓，太大波導(dǎo)會(huì)變形）充SF6氣體波導(dǎo)傳輸微波的功率特性30EbpKV/cm760mmHg實(shí)際波導(dǎo)金屬材料不是理想導(dǎo)體，是良導(dǎo)體。電磁波在內(nèi)壁有高頻感應(yīng)面電流（例TE10

波）傳輸過(guò)程中，波導(dǎo)發(fā)熱，功率損耗，指數(shù)衰減。

E(z)=E0e-αzP(z)=P0e-αz衰減單位（分貝，db)

A=3dbP=0.5P0A=10dbP=0.1P0A=20dbP=0.01P0⑶損耗與衰減Ⅵ.常用的微波元件1.無(wú)源微波傳輸元器件的作用2.各種微波元器件簡(jiǎn)介匹配負(fù)載，短路活塞，波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換衰減器，移相器，波導(dǎo)三通（E-T,H-T)定向耦合器波導(dǎo)雙T和魔T3.波導(dǎo)使用時(shí)的幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題無(wú)源微波傳輸元器件的作用定向傳輸：彎波導(dǎo)，角波導(dǎo)，扭波導(dǎo)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(dǎo)橋隔離去耦：隔離器，環(huán)流器阻抗匹配：吸收負(fù)載，阻抗調(diào)配器波型轉(zhuǎn)換：同軸線與波導(dǎo)，方圓轉(zhuǎn)換盤(pán)菏波導(dǎo)耦合器其他：波導(dǎo)窗，波導(dǎo)三通內(nèi)部沒(méi)有電子束運(yùn)動(dòng)的器件叫無(wú)源器件微波元件的功能在于對(duì)微波進(jìn)行各種變換，以達(dá)到各種目的。彎波導(dǎo)，角波導(dǎo)，扭波導(dǎo)保證微波定向傳輸，機(jī)械安裝要求主要要求，附加反射小