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磁化等离子体加载相对论行波管三维非线性研究

孙成刚  
【摘要】:行波管是一种高增益、宽频带、高效率、大功率的微波功率放大器件,广泛应用于通信、雷达、电子对抗等现代军事电子装备中。近年来,国内外许多研究表明,在微波器件中填充背景等离子体后,其性能将得到改善。在同样的输入条件下,带宽、互作用效率、功率和增益都有显著增加。 本论文对工作于盘荷波导等离子体-腔混合模的注波互作用三维大信号特性进行了讨论。主要工作和创新之处在于: 一、盘荷波导的传统研究忽略了混合模,而实际上混合模对行波管的互作用也会产生一定的影响。考虑混合模式,采用严格的场论分析方法推导普遍的盘荷波导的色散方程和耦合阻抗的表达式 二、从麦克斯韦方程和流体理论出发,推导了填充磁化等离子体慢波结构的基本方程。在大磁场情况下,首次对磁化等离子体加载盘荷波导的色散特性和耦合阻抗作了研究,结果表明填充等离子体使色散曲线上移,耦合阻抗增加。等离子体填充产生出模式谱非常丰富的周期性低频等离子体模式(TG模式)。当等离子体密度增加到一定程度后,未加载等离子体的TM01模的频率范围和TG01模的频率范围相近,两个模式互相耦合产生出新的混合模G1,G2 三、用模式函数及其正交性的理论,建立了磁化等离子体填充相对论行波管中电磁行波与电子注非线性互作用的自洽工作方程组,包括:激发方程、运动方程、能量转化方程、相位演化方程等。此方程组即研究注波互作用非线性特性的基础方程组。 四、用分离变量法推导了磁化等离子体填充盘荷波导的空间电荷场的静电位方程,并借鉴田炳耕有限尺寸宏粒子模型求解出空间电荷场。由于等离子体各向异性的性质,它满足普遍的静电位方程,文中给出了此普遍静电位方程的详细解法。研究发现电子通道填充背景等离子体,其空间电荷场与真空中有本质差别。真空中的空间电荷场呈指数衰减趋势,而填充背景等离子体的空间电荷场具有相反的结果。 五、采用四阶Runge-Kutta算法,用VC++编程实现了其大信号特性的仿真。在填充等离子体后效率达到了40%以上,比真空中盘荷波导的效率有很大的提高。同时比较分析了是否考虑空间电荷场时其效率、功率和增益的变化,发现考虑了空间电荷场时效率增加,而且饱和长度也缩短。而在真空中,考虑空间电荷场比不考虑空间电荷场时饱和位置推后,效率等参量饱和值降低。两个现 WP=7 象正好相反,是一个本质差别。最后分析了输入功率和填充不同密度背景等离子体时对其注波互作用大信号特性的影响。结果表明:输入功率对输出功率影响不大。而等离子体密度增加则效率增加,但到一定值后,再继续增加密度,输出效率反而降低。这是因为随着等离子体频率增加,混合模G1和G2稳定工作区变窄,相速变化较大。在输入频率不变的情况下,远离了最佳注波同步条件,因而效率反而降低。


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