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同轴波导回旋自谐振脉塞放大器的线性与非线性研究

邱春蓉  
【摘要】:回旋自谐振脉塞放大器(Cyclotron Autoresonance Maser Amplifier,简称CARM amplifier),作为一种高功率、高增益的毫米波亚毫米波波源,在等离子体加热、通讯、空间探测等方面有着巨大的应用前景。 器件在产生高功率微波的过程中,短波长的电磁波会在器壁上产生大量欧姆热,影响器件的稳定运行,严重时可能导致器件不能正常工作。因此,器件的散热性能成为高功率微波源的关键技术之一。解决这一问题的一种有效办法是采用大尺寸的腔体。因为大尺寸的腔体可以有效地增大散热面积,便于热量散发,同时,大尺寸腔体也便于加工。然而,在大尺寸的腔体中工作模式多为高阶模,模式谱变得密集,容易造成模式之间的竞争,使器件工作不稳定。在回旋管振荡器中已证实,采用同轴腔能有效地稀化模式谱,而且还发现,开槽型同轴结构有利于减弱模式竞争、增强束波互作用。结合同轴腔、开槽型波导结构的特点以及CARM放大器高功率、高增益的优点,张世昌教授针对目前的研究现状,近期在提出光滑同轴腔CARM放大器的基础上,又提出另一种新型器件——开槽型同轴波导CARM放大器的设想。此类器件可望在确保高功率、高增益的前提下,有效地稀化模式谱,抑制模式竞争,使模式稳定工作。 根据波导截面的形状,同轴波导大致可以分为光滑同轴波导、内开槽同轴波导、外开槽同轴波导和内外开槽同轴波导四大类。在本论文中就这四种波导结构类型的CARM放大器,展开全面、系统地线性和非线性理论研究。 首先,本论文在第一章阐述电子回旋脉塞机理以及CARM放大器的工作机理和可实现性,并介绍了现在国内外的研究状况和本论文的意义、内容和创新点; 第二章阐述光滑同轴波导CARM放大器的线性理论和非线性理论,用数值模拟方法分析和优化器件的性能,以及电子束轴向速度离散、电子束偏心和采用坡度磁场对器件输出功率的影响; 在第三章中,考虑开槽波导结构对波导中场分布的影响,利用阻抗匹配方


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