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回旋返波管的研究

罗维  
【摘要】:直到今天,回旋器件在高功率领域有着无可替代的地位。其中回旋返波管在高功率微波源上具有重大应用价值和前景,国际上很重视对它的理论研究和工程实现。回旋返波管具有连续调谐和宽频带等显著优势,但是也有自身不可避免的缺憾:一是轴向速度零散,导致工作不稳定和互作用效率受影响;二是工作效率低,电子群聚随互作用长度越来越好但高频场却反向增长,使得能量交换效率低。 本文以线性和非线性理论对Ku波段回旋返波管高频结构进行了详细分析和计算,通过理论分析、数值计算、编程优化和模拟仿真等方面进行了研究分析。主要内容包括: 1.对回旋管线性理论进行了详细研究,选择合适参数计算返波相关参数。先进行工作模式选择,对TE几个候选模式通过耦合系数对比,选取TE01,为工作模式;然后推导了回旋管线性理论,得到了任意波导回旋脉塞普遍色散方程;接着选择适合的电子注参数和外加磁场B0等导出了圆波导回旋返波管色散方程,并进行了编程计算;最后得到了色散曲线、线性增益、起振长度和起振频率等相关参数。 2.对回旋管非线性理论进行了比较详细的研究和推导。先给出了冷波导和热波导场方程,进行推导换算得到高频场幅值与电子注谐波电流关系式;然后进行坐标变换,用回旋中心坐标系描述电子运动方程;接着导出了高频场对电子作用力的表达式和用位函数Ψ来表达的高频场方程;再分析了电子动能沿互作用电流的分布;最后得到了非线性一阶微分方程组。 3.结合回旋管非线性一阶微分方程组,导出了回旋返波管注-波互作用自洽方程组。选择32个电子作为宏电子研究注-波互作用,先得到了起振长度和起振电流关系;然后计算出了回旋返波管工作效率变化趋势;接着研究了注-波互作用的幅值变化和宏电子相位变化趋势。 4.根据线性和非线性得到的结果进行分析对比,并结合相关仿真进行说明。先对比两种理论的起振长度和起振电流,再对比幅值变化趋势;最后对两种理论结果进行总结。


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