耦合双间隙腔的单腔管振荡问题研究

摘要

大功率速调管被广泛应用于各种军民用雷达、高能粒子加速器、卫星通信、电视广播设备和微波武器系统等领域，是军队信息化工程、航天工程和通信、民航、天气预报、医疗器械等民生工程中的重要核心器件之一。而双间隙输出回路已成为高功率速调管展宽带宽和提高功率的重要技术手段，近年来被广泛用于发展高性能多注速调管。然而在发展较低和较高频段的宽带多注速调管过程中经常遇到了难以克服的寄生振荡问题，成为当前最迫切需要解决的关键技术难点。因此，速调管双间隙输出腔的稳定性问题是高性能多注速调管研制者的研究重点之一。长期以来，在速调管双间隙输出腔形成的一些寄生振荡，由于不清楚其产生机理，一直令研制者感到束手无策。速调管输出回路的结构和性能不仅对大功率速调管的工作带宽和效率有着决定性的影响，而且对整管的稳定性也有着重要的影响。双间隙输出腔中经常会出现一些不期望的寄生振荡频率，并且这些振荡频率并未受到双间隙加载输出腔的某些相关参数的影响，也正是这些非工作频率的存在严重危害着双间隙输出腔的稳定性能和导致双间隙输出腔输出频谱的不存，以及双间隙输出腔的输出效率变差等一系列问题。
　　 长期以来，国内外科学家在这方面做出了大量的研究工作，并发展了各种各样具有针对性的抑制寄生振荡和改善稳定性的方法，但是仍然存在有一些寄生振荡问题，由于不清楚其产生的根源一直使得研制者感到束手无策而且始终找不到有效的解决方法。或许在宽带多注速调管的双间隙输出腔中，那些难以克服的寄生振荡源于某种新的机理，目前还未被研制者所认知。因此，只有从理论上彻底研究清楚这些寄生振荡的产生机理，才能有目的性地调整结构和电子注参数以避免这些寄生振荡的出现。
　　 本文针对这一难题，主要研究了多注速调管2π模和π模耦合双间隙加载输出回路形成单腔管振荡的问题。在小信号条件下，围绕着双间隙输出腔中能否产生假设所述的“单腔管振荡”等系列问题展开了详细的理论推导、解析计算和模拟仿真。最后，通过magic粒子模拟进一步验证了耦合双间隙输出腔形成单腔管振荡的可能性。
　　 首先，本文采用理论推导和解析计算的方法分别计算了2π模和π模耦合双间隙输出腔加载截止波导滤波器型输出回路中电子注的小信号电子注导纳公式，并利用三维仿真方法定量计算了2π模和π模耦合双间隙加载矩形波导输出腔的线路导纳，根据原有单腔管产生自激振荡的条件，得到了耦合双间隙加载输出腔满足单腔管振荡的线路总导纳条件、起振电流和振荡频率，并以此确定了2π模和π模耦合双间隙输出腔形成“单腔管振荡”的起振条件。计算结果表明:在电子注加速电压一定的情况下，电子注电流增大到一定程度，耦合双间隙输出腔将会形成危害性较大的单腔管振荡;而且双间隙输出腔的单腔管振荡频率与电子注加速电压和电子注电流存在复杂的关系。为了进一步验证加载双间隙输出腔中产生“单腔管振荡”这一假设存在的可能，我们继续对多注速调管2π模和π模耦合双间隙加载输出腔进行了MAGIC粒子模拟计算。模拟结果表明:在不存在激励信号源并保持一定直流电子注加速电压不变的条件下，当电子注电流值增大一定程度后，电子注将会在漂移管中出现较为严重的群聚现象，波导口输出功率值也将会迅速增加，并且得出了振荡频谱图。通过理论推导和解析计算与粒子模拟相比较，我们得出两种验证结果基本吻合，进而验证了本文研究内容的可靠性。这些关于对耦合双间隙加载输出腔中有害单腔管振荡形成过程和规律的研究结论，为今后改善速调管耦合双间隙腔输出电路的稳定性和制造超高频微波管将具有极其重要的意义。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 速调管的应用与发展现状

1．2 本论文的研究背景与意义

1．3 国内外研究现状

第二章 速调管工作原理和基础理论

2．1 速调管的基本原理

2．1．1 速调管的基本结构

2．1．2 电子注的成形和聚焦

2．1．3 电子注与高频互作用系统的相互作用

2．2 微波谐振腔

2．2．1 谐振腔中场的基本方程

2．2．2 谐振腔固有品质因数的计算

2．2．3 谐振腔有载品质因数的计算

2．3 圆柱形谐振腔

2．4 腔体间隙阻抗的计算

2．4．1 加载单间隙腔间隙阻抗的计算

2．4．2 耦合双间隙输出腔间隙阻抗的计算

2．5 速调管中驻波互作用过程与原理

2．5．1 电子渡越时间

2．5．2 电子渡越角

2．5．3 电子注的速度调制和群聚

2．6 感应电流与电子注导纳计算

2．6．1 感应电流

2．6．2 电子注导纳计算

第三章 双间隙输出腔中形成单腔管振荡的可能性分析

3．1 小信号电子注导纳的解析计算

3．2 线路导纳的模拟计算

3．3 单腔管振荡的起振电流

3．4 粒子模拟

3．5 结论

第四章 多注速调管П模双间隙腔的单腔管振荡问题研究

4．1 单腔管振荡的可能性分析

4．1．1 电子注导纳计算

4．1．2 线路导纳的计算

4．1．3 单腔管振荡频率和起振电流计算

4．2 实例分析

4．2．1 解析计算实例

4．2．2 粒子模拟与分析

4．3 结论

第五章 总结

5．1 主要研究结论及其意义

5．2 有待于进一步研究的问题

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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致谢