具有Bragg反射器的相对论同轴慢波结构振荡器研究

摘要

高功率微波器件是微波技术的重要研究方向，而相对论同轴波纹慢波结构振荡器是一种重要的且有较好发展前景的微米波器件。本文从理论分析和粒子模拟两方面对具有Bragg反射器结构的相对论同轴波纹慢波结构振荡器进行深入研究。 由于相对论同轴波纹慢波结构振荡器采用同轴内导体加载的慢波结构作为高频系统，对于这种振荡器如果在电子注输入端没有反射器，微波能量将耦合到电子注发射区，使辐射到空间的微波能量减少；为此我们提出采用同轴波导 Bragg反射器，即在电子注的输入端加反射器，减少进入电子注发射区的微波，以提高器件的微波输出功率。 通过线性理论分析了同轴波纹慢波结构中色散特性；利用HFSS仿真软件对反射器的结构参数进行了优化计算；利用粒子模拟软件模拟仿真了相对论同轴波纹慢波结构振荡器注波互作用的物理过程及反射器对器件工作性能的影响。 本文的主要工作如下： 1、分析了同轴内导体加载慢波结构的高频特性。用场论的方法研究了同轴内导体慢波系统中的场分布，利用加载区的场匹配条件以及中心互作用区与加载区的场匹配条件，获得同轴内导体慢波结构的色散方程。利用该色散方程得出的色散曲线与HFSS仿真软件模拟结果基本一致。通过数值计算分析了不同结构参数对色散特性的影响。 2、采用理论分析及粒子模拟的方法研究了同轴慢波系统不同电压下注波互作用的物理机理及辐射特性。研究发现随着电子注电压的不断增加，器件的工作状态由返波振荡转换到行波振荡，在行波振荡状态，此时器件需工作π模附近，频谱丰富；在返波振荡状态，辐射频谱单一；粒子模拟得到的辐射谱特性与数值计算结果基本一致。 3、提出了在高频结构的前端采用波纹渐变Bragg反射器来改善振荡器性能的设想。利用HFSS仿真软件优化了反射器的结构参数，通过粒子模拟研究了反射器对器件性能的影响，结果表明反射器在高频结构中的位置对器件的性能有较大的影响，存在一个最佳位置，使辐射功率得到较大提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究的背景和意义

1.2国内外的研究动态

1.2.1同轴慢波结构的理论研究

1.2.2粒子模拟和实验研究

1.3本论文的主要工作

第二章 同轴内导体加载慢波结构的高频特性

2.1引言

2.2物理模型

2.3同轴慢波系统色散方程的推导

2.3.1慢波高频结构场的描述

2.3.2边界匹配条件和色散方程

2.4色散特性分析

2.5模式模拟分析

2.6本章小结

第三章 同轴内导体加载慢波结构注波互作用研究

3.1引言

3.2“热”色散方程

3.2.1有电子注时的物理模型

3.2.2各区域场的表达式

3.2.3边界上场的匹配条件

3.2.4色散方程

3.3色散方程的数值计算与结果分析

3.4同轴慢波结构的粒子模拟

3.4.1粒子模拟物理模型的描述

3.4.2模拟结果及分析

3.5腔体对器件工作性能的影响

3.6小结

第四章 带有Bragg反射器相对论同轴慢波结构振荡器的模拟研究

4.1引言

4.2同截式反射器和截止型反射器

4.3反射器的仿真计算

4.3.1反射器波纹个数和波纹周期的优化

4.3.2反射器波纹幅度的优化

4.4粒子模拟

4.4.1基本结构

4.4.2反射器对器件工作性能的影响

4.4.3反射器的位置对器件的影响

4.4.4慢波结构周期个数的影响

4.5本章小结

第五章 总结

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果