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回旋管注波互作用非线性理论与模拟研究

马俊建  
【摘要】:回旋管是一类具有重要发展前景的毫米波器件,能在毫米波及亚毫米波波段产生高功率、高效率和高增益,性能稳定,有一定的带宽,广泛应用在高功率雷达、电子对抗、微波武器、通信等领域,是目前电真空器件的热点研究对象之一。 回旋管的注波互作用情况决定了回旋类器件的电子效率和主要的工作性能。是回旋类器件研究的关键内容,也是目前研究最为广泛的课题之一。各国学者开发了一系列可用于回旋管注波互作用的模拟与优化设计程序。本论文在深入了解回旋管的研究现状、发展方向及应用前景的基础上,对回旋管的注波互作用非线性理论进行了研究。主要工作和创新点如下: 1.从基本的电磁场理论出发,推导出回旋管中电子注与高频场相互作用的自洽非线性方程组,建立了回旋振荡管、回旋速调管以及回旋行波管均适用的注波互作用自洽非线性理论模型。该模型采用简化的电磁场描述方法,用波导中横向电磁场的本征模式的叠加表示电磁场。相应地,将麦克斯韦方程组简化为各模式电压复振幅与电流复振幅关于时间和轴向坐标的耦合偏微分方程组(即广义电报方程),从而将电磁场的求解转化为广义电报方程的求解。各模式的场幅值随时间缓慢变化,更新电磁场的基本时间量程仅与谐振腔的填充时间相联系,因而允许比较长的时间间隔更新场。在此基础上,为了能够求解含有有限表面阻抗的电磁场,对广义电报方程进行了扩展,给出了损耗边界积分的处理方法,使广义电报方程能够计算损耗结构中的场。 2.电子运动方程采用引导中心近似。在引导中心坐标系下,引入两种假设,其一是假设粒子穿过腔体的时间比电磁场演变时间要短。根据这种假设,粒子在腔内电磁场的辐射包络发生大的改变之前离开腔体。这就允许我们在描述电子运动方程时,将轴向坐标作为独立变量。而无需向PIC粒子模拟方法那样执行耗时的粒子位置沿轴向网格的插值运算,从而减少计算时间。其二是假设轴向磁场很强。在这种假设下,拉莫尔半径小于腔体特性长度,粒子沿磁场线运动。这两种假设的引入可以对电子运动方程进行简化,从而降低计算量。对激发电磁场的电流源,采用所有电子轨迹求和表示电流密度,根据电流源的定义得到电流源方程。从回旋管电子注横向速度满足高斯分布出发,建立了速度零散的分布模型。该模型更准确的反映粒子的分布情况,使非线性理论的计算结果更有意义。 3.利用回旋管注波互作用自洽非线性理论模型,本文对一支Ka波段两腔回旋速调管放大器的非线性特性进行了深入研究。分析了注波互作用中的能量变化,研究了输入功率、电子注电压、电流、工作磁场、横纵速度比等工作参量对效率的影响。同时,应用粒子模拟软件MAGIC对设计的Ka波段两腔回旋速调管放大器进行了模拟验证,并对两种方法计算的结果进行了对比分析。MAGIC粒子模拟结果与自洽非线性理论程序结果基本一致,从而验证了回旋管注波互作用自洽非线性理论的正确性。在此基础上,利用所建立的理论模型设计了一支Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器,研究了该回旋速调管放大器的非线性过程及特点。通过分析其非线性特性,确定了该回旋速调管放大器的最佳工作参数。同时,利用粒子模拟软件MAGIC进行大量的计算模拟,对设计的Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器进行了对比验证。 4.利用回旋管注波互作用自洽非线性理论模型,针对复合腔回旋管的特性,研究了94GHz二次谐波复合腔回旋管。分析了不同工作参数对复合腔回旋管非线性特性的影响,并总结模拟结果给出一组最优的参数。将优化参数代入粒子模拟软件MAGIC,对设计的复合腔回旋管进行了模拟验证。 5.利用高频软件HFSS、粒子模拟软件MAGIC和广义电报方程,讨论了漂移段内和谐振腔内损耗结构对回旋速调管和回旋行波管性能的影响。同时,基于回旋管注波互作用自洽非线性理论模型,对含有损耗结构的回旋行波管进行了研究,分析了损耗介质层厚度、介电常数等对回旋行波管性能的影响,并进一步研究了回旋行波管的非线性特性。同时,利用粒子模拟软件MAGIC对该回旋行波管进行了对比模拟验证。


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