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回旋行波放大器的相关理论研究与数值模拟

焦重庆  
【摘要】: 回旋行波放大器能在毫米和亚毫米波段产生高功率、宽频带相干电磁辐射,在毫米波雷达、通信、电子对抗及工业应用等领域有很好的应用前景。本文围绕其中注-波互作用这一主题,开展了理论研究和数值模拟工作。 1.推广了圆波导TE模回旋行波放大器的互作用理论,使之能考虑电子注偏心的影响,并探讨了注偏心影响互作用的机理。对TE_(01)模回旋行波放大器的研究表明:注偏心对互作用的影响很大程度上决定于电子注导引中心初始半径。 2.发展了TM模回旋行波放大器的线性理论,并提出了TM模可能适合作为回旋返波振荡器工作模式的观点。研究表明,当电子注与TM模反向波互作用时,电子能同时释放横向能量和轴向能量,电子速度比的减小对起振电流影响较小,这些均有利于注-波能量交换。 3.导出了有损圆波导中考虑损耗层厚度影响时模式传输常数的解析公式,验证了公式计算结果的可信性。分析了损耗层厚度对回旋行波放大互作用的影响。结果表明:适当选择损耗层厚度和电导率可达到对期望的工作模式衰减较小,对竞争模式则衰减较强的目的。 4.从电子回旋角度微扰的近似方法入手,建立了两段式回旋行波放大器中电子群聚的解析理论,得到了行波群聚参数、惯性群聚参数及谐波电流的解析表达式。这一理论便于我们理解和比较不同谐波工作方式下的电子群聚和互作用特点。 5.完成了一个Ka波段输出、基波TE_(01)模-二次谐波TE_(02)模谐波倍增回旋行波放大器的初步设计。分析了基波段和二次谐波段的模式竞争和稳定性状况,研究了工作参数变化对互作用结果的影响。在电压70kV、速度比1.2、电流15A及5%速度零散电子注的推动下,数值模拟获得了150kW峰值功率,14.3%效率,0.9GHz(2.8%)带宽以及30dB增益的结果。若采用线性渐变磁场,功率、效率和增益可分别提高到240kW、22.8%和36dB,但带宽会下降到0.7GHz(2.18%)。 6.形成了一套互作用过程的模拟设计程序。包括线性分析、非线性分析及稳定性分析三部分。非线性分析程序可考虑多种因素(如磁场渐变、分布损耗及导引中心漂移等)的影响,能适用于多段放大电路以及不同谐波工作方式。通过与国际期刊论文中结果的对比,验证了程序计算结果的可信性。


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1 杨温渊;增加回旋行波放大器输出带宽的理论和数值研究[D];中国工程物理研究院北京研究生部;2000年
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