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矩形栅内带状电子束注波互作用的研究

代磊  
【摘要】: 行波管是微波电真空器件中最主要的器件,广泛应用于毫米波雷达、制导、战略战术通信、电子对抗、遥感、辐射测量等领域,它的性能直接决定着武器装备的水平,因此对新型高功率短毫米波行波管的研究具有很重要的意义。本文以“矩形栅内带状电子注波互作用的研究”为题,对一类新型的矩形波导栅慢波结构进行了一系列的研究。包括双矩形栅的高频特性理论的研究和冷腔特性的仿真、双矩形栅内带状电子注波互作用的大信号计算机模拟以及双矩形栅输入输出结构的优化设计等内容。 首先介绍了电子器件的发展历史,以及目前真空电子器件的发展趋势,对矩形栅慢波结构和行波管注波非线性互作用理论的国内外研究状况做了阐述。对电磁慢波结构的特性和分析方法做了介绍,对与本文工作相关的软件做了简要的说明,然后对本文要研究的双矩形栅慢波结构做了相关理论上的研究。 在理论研究的基础上,利用CST公司的电磁计算软件CST(MWS)和MAFIA软件模拟了3mm波段双矩形栅慢波结构的冷参数特性,如色散特性和耦合阻抗,为下面将进行的研究打下了基础。本文重点研究了利用三维PIC软件MAGIC对3mm波段的矩形双栅慢波结构 内的带状电子注波互作用模拟,建立了相关的计算模型,给出了模拟的步骤。通过计算机三维模拟,看到了慢波结构内电子注良好的群聚,由相空间图可以看到,电子注很好地将能量交给了电磁波。通过多次建模计算,得到了饱和输出功率和频率的关系。饱和输出功率为172.36W,增益为30.1dB。但是对于矩形栅慢波结构而言,由于相速过高,导致工作电压也很高,给工程实现带来了困难。在计算机中建立的仿真模型中,带状注的聚焦可以采用wiggler磁场或者PCM聚焦,本文的计算模型还是采用的PCM方式来进行聚焦,但在实际情况中,带状注的聚焦也是值得研究的一个方向,另外,为了保证带状束的良好通过率,所加的聚焦磁场是比较大的,所以使得注波互作用的效率不高,在今后的研究中可以尝试再调试一下磁场的参数,以获得一个更为理想的聚焦磁场来提高互作用的效率。 初步探讨了双矩形栅慢波结构的输入输出,利用CST微波工作室对该结构进行了仿真,设计了较为理想的输入输出结构,使浅槽双栅慢波结构的注波系数小于1.5,带宽达到了4.8 %。严格地讲,在实际的工程应用中,注波系数应小于1.3,在本文的设计中,工作在中心频率时的注波系数在1.2-1.3范围内,基本达到要求,但带宽较窄,所以拓展带宽是今后的一个研究方向。


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