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回旋行波管的模拟研究

赵尚  
【摘要】: 在毫米波系统中最重要的部件是毫米波源,它决定了毫米波系统的性能。所以研制性能稳定、可以有效输出高功率毫米波的毫米波源就显得极其重要。目前比较成熟的高功率毫米波源以回旋放大器为主,而在回旋放大器中,回旋速调管放大器是发展较快的一种管型。相比回旋行波管放大器,回旋速调管放大器在稳定性、输出功率和互作用效率等方面有着较大的优势,对电子枪产生的电子注速度离散等参数的要求也相对较低,因而得到了各国研究机构的重视,在回旋放大器中它的发展也最为迅速。但是回旋速调管放大器由于工作原理等原因,相比回旋行波管放大器,它的带宽相对较窄,无法满足将来军事和科研等领域对高功率微波源的需要。回旋行波管放大器也因此成为现阶段各国研究的热点,各国都加大了对回旋行波管放大器的研究力度,在理论和实际应用均取得了较大的进展。 本论文以如何提高回旋行波管的稳定性为出发点,把介质分布加载回旋行波管的高频结构作为主要研究对象,从理论分析、数值计算和模拟仿真等方面进行了深入的研究和讨论。研究的主要内容包括: 1.对回旋行波管的自激振荡问题进行了详细研究。从回旋行波管的小信号色散方程和返波线性增益出发,对绝对不稳定性进行了理论分析。通过数值计算可知,当单位长度衰减值大于3dB/cm时,工作模式TE0 1模的绝对不稳定性得到抑制。 2.根据工作频率设计出合适的加载介质涂层的回旋行波管高频结构,使之能够激励起正确的工作模式TE01模式并且有效抑制杂模及自激振荡。 3.利用粒子仿真软件MAGIC编写出35GHz连续波回旋行波管高频结构程序,通过适度改变高频结构尺寸和介质涂层大小及位置,寻找到最佳高频结构,得到在工作电压42kV,注电流2A,电子注横向与纵向速度比1.46时的输出功率为30.6kW的连续波输出功率, 1.8GHz的3dB带宽, 36.4%的效率及35.7dB的增益的设计方案。 4.分别分析了电子注参数、高频结构参数等对回旋行波管输出功率、带宽、效率及增益的影响,为以后器件的开发研制提供了模拟依据。


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