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行波管三维非线性理论及其网络并行计算

李建清  
【摘要】: 行波管是一种高增益、宽频带、高效率、大功率的微波/毫米波功率放大器件,广泛应用于通信、雷达、电子对抗等现代军事装备中。本论文对行波管中三维非线性注波互作用及其网络并行计算进行了深入的研究。主要工作和创新之处在于: 一、首先利用模式展开理论(或波导激励理论),建立了行波管中慢电磁行波与电子注互作用的统一自洽工作方程组,包括:激发方程、运动方程、能量转化方程,相位演化方程等,既可用于模拟相对论情况下行波管中的互作用过程,也可用于模拟多信号,多模式下行波管中的互作用过程。 二、利用有限尺寸宏粒子的概念来分析行波管非线性注波互作用中的空间电荷场,推导出有限尺寸宏粒子空间电荷场的权函数表达式。分析结果表明:在大距离范围内,有限尺寸宏粒子空间电荷场权函数和圆环模型空间电荷场权函数符合很好,但在宏粒子互相靠近的小距离范围内,两者差别较大;由于有限尺寸宏粒子计算出的空间电荷场小,因此计算出的行波管互作用输出功率饱和位置提前,饱和值增加。 三、建立了用于计算行波管三维非线性互作用的基于TCP/IP协议的网络并行计算环境,编写了模拟行波管非线性互作用过程的网络并行计算程序,其可在工作站和微机混合组成的计算机网络环境下实现并行计算。实验结果表明,该网络并行计算环境能够有效地减少行波管非线性互作用的计算时间,提高工作效率。 四、分析了两个独立信号同时输入宽带行波管时的多信号非线性特性。分析结果表明:在多信号输入时,输出功率中确实有输入信号的互调制分量产生,同时可以发现,对于宽频带的行波管,互调制分量对主工作频率输出功率有比较大的影响。 五、分析了相对论行波管三维非线性特性,分析结果表明:(1)空间电荷场(包含直流和交流空间电荷场)对注波互作用输出功率影响很大,会造成饱和输出功率减小,饱和位置推后;(2)电子注激发的反向辐射对 WP=9 输出功率影响比较小,基本上可以忽略不计;(3)电子注横向运行对注波互作用的直接影响比较大;(4)通过改变耦合腔内半径来调节慢波结构相速,采用相速跳变和预群聚的方法可以改善相对论行波管的效率,特别是采用预群聚方法,可以尽量提高相对论行波管的效率。本论文还分析了输入功率、电子注直流电压,电子注直流电流和聚焦磁场对输出功率的影响。比较了四种设计的慢波系统互作用输出结果,找到比较适合的互作用参数来设计相对论行波管。 六、设计了一种测量行波管多信号非线性特性的测量方法,对某一宽带行波管的多信号非线性特性进行了实际的测量,测量结果表明当两个独立信号同时输入宽带行波管时,输出信号功率中包含输入信号互调制分量。测量结果与计算机模拟结果进行了比较,两者符合得比较好。


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