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电子注对谐振腔振荡频率和电磁场分布的影响研究

张华福  
【摘要】:大功率速调管是一种基于速度调制原理将电子注能量转换成微波能量的微波真空器件,并且在宽带雷达系统、电子对抗和通信系统等领域有了广泛的应用。谐振腔是速调管放大器当前微波频段大功率高增益的主要核心部件。速调管的谐振腔可分为3类,即输入谐振腔,中间谐振腔和输出谐振腔。输入谐振腔的功能是输入外加微波信号,在谐振腔间隙上建立微波电场,调制电子注。中间腔的功能是提高速调管的增益、带宽和效率。输出腔的功能是将群聚电子注的能量转换成微波能量。谐振腔作为速调管的高频互作用电路,其特性对速调管的效率、增益和带宽的性能具有决定性的影响。在速调管工作时会有电子注穿越谐振腔,使得谐振腔的性能发生变化。而谐振腔本征值问题是电磁工程领域的一个重要课题,一方面腔体中不同模式的场型分析直接和此问题有关,另一方面,很多腔体的最优化设计又往往以该问题的求解为基础。无源情况下的各种谐振腔中谐振频率的大小,电磁场的分布,各种模式的分析都是研究这些腔体非常重要的参考。因此本文研究了电子注穿越谐振腔时对谐振腔的振荡频率和电磁场分布的影响。本文的研究内容如下: 一、首先概述了速调管的结构,工作原理,发展历程,发展现状以及谐振腔的理论。 二、通过区域划分,建立填充有电子注的谐振腔物理模型,在原有的波动方程的基础上,在边界匹配条件下进行推导得到了电子注区域的电磁场分布和真空区域的电磁场分布。并且通过进一步的推导,得到了T0m0模式下的特征方程。 三、通过数值计算,得到了谐振腔TM010模式和TM020模式的谐振频率ω随着电子注的等离子体频率ωp的变化,并且采用了图解法求解本征值方程的方法对计算结果进行了验证。随着等离子体的频率不断增大时,谐振频率也会不断增大。当等离子体的频率为40GHz以上时,谐振腔的谐振频率变化不大。最后通过计算仿真,得到了TM010模式和TM020模式的谐振腔的电磁场分布随着等离子体频率的变化情况,并且对其进行了分析研究。由研究结果得知,当等离子体的频率超越谐振腔的谐振频率时,谐振腔内的电磁场分布会有很大的变化,这对于大功率速调管的稳定性将有着重要影响。电子注对谐振腔的影响规律适用于其它类型的大功率微波源,所以对于速调管和其它类型微波源的研制也具有重要的参考价值。


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