X波段高阻抗相对论速调管放大器的仿真设计

摘要

相干功率合成是高功率微波技术发展的重要方向。基于热阴极的高阻抗相对论速调管具有高峰值功率、长脉宽、高效率、频率相位稳定等优势，是具有相干合成潜力的重要器件之一。本文采用粒子模拟的方法对一种 X波段高阻抗相对论速调管放大器开展仿真设计，为进一步开展相关研究奠定了坚实的基础。主要内容包括：
　　1．提出了具有同轴输出结构的X波段高阻抗相对论速调管放大器方案，与传统径向臂输出方案相比，具有结构紧凑、功率容量高等优点，适合高功率输出和应用。
　　2．在对药盒型谐振腔冷腔特性分析、热腔测试等研究基础上，建立了器件高频结构全系统的粒子模拟模型，对器件的工作特性进行了系统地研究。分析了几何参数和工作参数对器件性能的影响，重点解决了输入腔匹配吸收，中间腔过调制抑制，束波转换效率提高等关键问题。通过优化设计，在阴极电压520 kV、束电流460 A、外加磁场0.4 T的条件下，模拟获得了基波电流调制深度达162％，功率105 MW、效率43.5%、增益50 dB、频率11.424 GHz的输出。
　　3．结合器件对电子束产生和传输的需求，设计了一种高导流系数、大压缩比的电子光学系统，基本满足器件正常工作的要求。采用皮尔斯电子枪综合设计法建立了电子枪的物理模型，利用局部大曲率半径聚焦极和阳极来降低场强，优化了电子枪静电特性。利用SUPERFISH软件设计了相匹配的部分屏蔽流电磁聚焦系统，获得了电压525 kV、电流328 A的实心电子束，导流系数约0.9μp、面压缩比97、通过率100%、半径约3 mm，层流性良好且波动较小。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 课题研究的意义和主要内容

第二章 物理模型和基本理论

2.1 物理模型

2.2 电子束与谐振腔的互作用理论

2.3 电子束的聚焦理论

2.4 粒子模拟方法

2.5 本章小结

第三章 高频结构的设计及粒子模拟

3.1 高频结构

3.2 冷腔设计

3.3 热腔模拟

3.4 基本工作特性

3.5 工作参数对输出特性的影响

3.6 本章小结

第四章 电子光学系统的设计

4.1 电子枪的结构及主要参量

4.2 电子枪的设计

4.3 聚焦系统的设计

4.4 收集极的设计

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作和结果

5.2 今后工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果