回旋行波管高频结构与双频回旋行波管的研究与设计

摘要

回旋行波管是一种能够在微波毫米波以及太赫兹波段产生高功率、高增益以及宽带宽的相对论非线性电真空器件。在毫米波雷达、电子对抗、高速通信、等离子体加热、材料处理、农作物脱水等方面有着十分广阔的应用前景，受到各国研究机构的高度重视。高频互作用结构是回旋行波管最核心的部件之一，是注-波互作用最主要发生的场所，同时也是竞争模式起振的场所。早期的回旋行波管由于采用光滑波导作为互作用结构，其效率、带宽以及增益等性能严重受到各种竞争模式的制约，导致回旋行波管的发展长期滞后于其他回旋器件。通过对竞争模式起振机理的研究，科学家们提出了许多互作用电路来抑制竞争模式，其中介质加载高频结构是发展最快，应用最广也是发展较为成熟的一类高频互作用结构，在实验中取得了非常不错的效果。本论文在国家专项基金(2013ZX01011001)资助下，展开了对W波段TE01模式介质加载回旋行波管高频结构的研究，研究工作主要如下：
　　1.通过小信号以及大信号理论，对W波段回旋行波管高频结构展开了理论设计；
　　2.利用场匹配理论对介质加载高频结构工作模式以及竞争模式的损耗特性进行研究，挑选出适合W波段回旋行波管的损耗陶瓷介质参数，使得介质对竞争模式损耗较大的情况下，对工作模式的损耗处于最低值；
　　3.用自洽非线性理论以及PIC仿真研究回旋行波管的稳定性，并预测所设计结构的输出性能;
　　4.对W波段回旋行波管的高频组件进行冷测实验研究，并对组装以后的器件进行热测实验，将实验结果与理论分析结果相对比，分析热测实验中存在的一些问题，并提出解决方案。
　　虽然回旋行波管在近些年取得了非常大的进步，并取得了很好的整机应用。但是由于先进性雷达以及电磁干扰机能够同时工作于很宽的频段范围，甚至于跨频带工作，所以传统的回旋行波管已经不能满足其对微波源的要求。本文基于这种需求，在国家自然基金(61671136)资助下同时开展了双频双模回旋行波管的研究，主要包括以下几个方面：
　　1.对双频双模回旋行波管进行了可行性研究报告，得出选择TE11/TE01两种工作模式前提下，所设计的回旋行波管能够实现双频工作；
　　2.对双频双模回旋行波管磁控注入式电子枪，高频互作用电路，以及输出窗等关键部件从理论以及仿真上进行了初始设计。
　　回旋振荡管是另外一种重要的回旋器件，是唯一被证实能成功应用于国际热核聚变实验堆(ITER)计划中等离子体加热的器件。同时由于回旋振荡管输出性能稳定，所以在工业材料加热等方面也有着非常重要的应用，本文在德国 KIT相关项目的支持下，研究和设计了28 GHz二次谐波连续波回旋振荡管，主要工作如下：
　　1.设计了能稳定工作于28 GHz二次谐波，TE12模式的互作用腔体结构，并且用光滑互作用腔体结构代替传统三段式互作用腔体结构；
　　2.对该腔体的主要竞争模式进行研究，并提出抑制主要竞争模式的方法，从而成功抑制了各个竞争模式；
　　3.用EURIDICE对28 GHz回旋振荡管进行仿真设计，并用MAGIC3D-PIC仿真进行验证。

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第一章 绪 论

1.1 电子回旋器件简介

1.2 电磁回旋脉塞基本原理

1.3 W波段回旋行波管研究现状

1.4 回旋行波管发展趋势

1.5 双频回旋行波管研究现状

1.6 本学位论文的主要工作和创新点

第二章 回旋行波管注-波互作用自洽理论研究

2.1 高频场方程

2.2 电子运动方程

2.3 电磁场边界条件

2.4 电子运动初始分布

2.5 注-波互作用数值计算方法

2.6 计算结果后处理

2.7 本章小结

第三章 W波段介质加载回旋行波管高频结构的设计

3.1 回旋行波管小信号理论设计

3.2 回旋行波管返波振荡自洽非线性理论设计

3.3 注-波互作用研究

3.4 本章小结

第四章 W波段损耗陶瓷高频结构设计与实验研究

4.1 均匀介质加载波导高频结构研究

4.2 注-波互作用研究

4.3 实验测试研究

4.4 本章小结

第五章 新型双频双模回旋行波管研究

5.1 双频双模回旋行波管可行性研究

5.2 双频双模回旋行波管关键结构的设计

5.3 本章小结

第六章 28GHz二次谐波工业用回旋振荡管研究

6.1 28GHz二次谐波回旋振荡管腔体结构的设计

6.2 借助于EURIDICE软件研究腔体工作的稳定性

6.3 3D-PIC仿真计算

6.4 MAGIC 3D-PIC与EURIDICE对比

6.5 本章小结

第七章 全文总结与后续工作展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果