同轴相对论返波振荡器跨X、Ku波段调频机理及实现方法研究

摘要

相对论返波振荡器是发展较成熟的振荡器型高功率微波源之一，具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点，在国防和工业领域有着广泛的应用前景。频率可调谐是相对论返波振荡器的重要发展方向之一，相关研究取得了较大进展，但存在调谐带宽窄、调谐方式复杂等不足。本文研究了一种跨X、Ku波段调频相对论返波振荡器，仅改变内导体的长度即可实现跨波段微波输出，在各波段内均有一定的调节带宽，调节方式简单易行。论文的研究内容包括以下几个方面：
　　首先，对同轴慢波结构跨波段调频机理进行了系统的研究。利用电磁软件仿真与数值求解两种方法求解了同轴、空心慢波结构的色散曲线，通过合理选择电子束与慢波结构参数，选用不同的工作模式，可以将工作频率选择在不同的波段，阐明了跨波段调频的机理。设计了跨三波段调频冷腔电磁结构，仅通过增删内导体，实现了跨C、X、Ku波段调频，验证了实现跨波段调频的可行性。考虑到在线调频实现的可行性，重点研究了跨 X、Ku波段调频冷腔电磁结构的高频特性：通过横向模式选择，选择工作模式为同轴TM01模（Ku波段）、空心TM01模（X波段）；通过纵向模式选择，采用同轴提取结构，提高工作模式的品质因子，可在慢波结构较短的情况下提高束波作用效率。
　　其次，利用粒子模拟方法对器件跨波段调频机制进行了深入研究。着重分析了内导体长度和频率调节特性之间的关系：内导体长度在0-8.4cm范围内改变时，微波频率在10.55-10.64GHz（X波段）范围内可调，3dB调谐带宽约1％；内导体长度在8.5-11.7cm范围内改变时，微波频率在12.51-12.62GHz（Ku波段）范围内可调，3dB调谐带宽约1%。仅改变内导体的长度，在二极管电压680kV、电流12.8kA、导引磁场4T的条件下，得到典型模拟结果：同轴结构，输出微波频率12.58GHz（Ku波段）、功率2.25GW、效率25.9%；空心结构，输出微波频率10.61GHz（X波段）、功率2.20GW、效率25.3%。基于此，改变内导体以外的参数，进一步提高束波作用效率，优化后的结果为：同轴结构，输出微波频率12.09GHz、功率2.67GW、效率41.5%；空心结构，输出微波频率9.92GHz、功率3.02GW、效率34.5%。探讨了器件低磁场条件下工作的可行性，结果表明在不影响器件工作性能时，导引磁场可以降低到约2T。
　　最后，利用高频场仿真软件对跨 X、Ku波段辐射系统进行了初步设计。传输系统采用两排、每排12根支撑杆，对10.61GHz和12.58GHz两个频点的传输系数大于0.810。针对上述两个频点，设计了模式转换器及喇叭天线，实现了 TEM模至 TM01模的转换，辐射效率大于99.2%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 高功率微波源

1.2 相对论返波振荡器

1.3 频率调谐RBWO国内外研究现状及发展动态

1.4 课题研究的意义及主要内容

第二章 同轴慢波结构跨波段调频机理

2.1 色散方程的求解

2.2 同轴、空心慢波结构色散曲线分析

2.3 跨三波段频率可调SWS冷腔电磁结构的高频特性

2.4 跨双波段频率可调SWS冷腔电磁结构的高频特性

2.5 小结

第三章 跨X、Ku波段调频相对论返波振荡器的粒子模拟研究

3.1 粒子模拟方法

3.2 器件模型和物理图像

3.3 主要影响参数的分析

3.4 典型模拟结果

3.5 低磁场工作可行性分析

3.6 小结

第四章 跨X、Ku波段辐射系统的设计

4.1 辐射系统结构组成

4.2 支撑杆的设计

4.3 模式转化器及喇叭天线的设计

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作总结

5.2 主要创新工作

5.3 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果