220GHz同轴腔回旋管研究

摘要

电子回旋脉塞起源于20世纪50年代末期，在新型的高效率高功率微波辐射源需求的推动下，要求回旋管器件单管在毫米波段应有兆瓦级输出功率，而且多管并用。如此高的功率，必然在管壁产生大量的欧姆热耗，给器件散热降温带来很大困难，从而可能导致整管不能正常运行甚至遭到损坏。有效的解决办法是采用大体积腔，然而采用大体积腔的同时也带来了其他方面的负面影响，例如腔内本征频谱变密集，模式竞争激烈，工作模会受到竞争模严重干扰。既能解决腔体散热问题，又能有效抑制模式竞争的办法之一，是采用大体积同轴腔，因为在圆柱腔中加入内导体，可以使工作模附近的模谱变稀。从现在国际上的文章来看，主要的研究工作集中在140GHz、170GHz，对于220GHz的同轴腔回旋管的结构以及模式选择有很好的参考意义。 本文就工作在220GHz下的同轴腔回旋管进行理论研究，以求能为同轴腔结构的回旋管设计工作提供理论依据。对此，本文就相关问题做出以下方面的理论探索： 从线性理论方面讨论圆柱腔和同轴腔回旋管中特征根和场分布的联系和不同，接着推导出同轴波导中的高频场分布，计算了起振电流并对模式竞争问题进行初步的分析。 应用自洽非线性理论对同轴回旋管进行更深入的研究，讨论电子效率问题，并就影响器件效率的几个重要因素进行理论上的分析，尽可能提高器件效率。之后根据实际情况考虑了速度离散和电子束偏心对电子效率的影响。 最后，通过软件Magic程序进行模拟工作，得到与非线性理论一致的结果。

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第一章绪论

1.1电子回旋脉塞及回旋管发展概述

1.2同轴腔回旋管发展状况

1.3电子回旋脉塞原理

1.4本学位论文工作介绍

第二章220GHz同轴腔回旋管线性理论分析

2.1同轴波导截止频率特点分析

2.2同轴波导中的高频场分布

2.3同轴波导中电子与波互作用功率分析

2.4同轴波导中起振电流计算及模式竞争分析

2.4.1起振电流的计算

2.4.2关于同轴腔体中模式竞争问题的分析

2.5小结

第三章220GHz同轴腔回旋管非线性理论分析

3.1同轴波导中的纵向场分布

3.1.1缓变截面波导开放式谐振腔的数值解

3.1.2纵向场分布

3.2电子运动方程

3.3电子束存在情况下的波动方程

3.4同轴腔回旋管中的电子效率

3.4.1几个重要参数对器件工作效率的影响分析

3.4.2电子轴向速度离散对器件的影响

3.4.3电子束偏心对器件的影响

3.5小结

第四章计算机模拟分析

4.1计算机模拟软件概述

4.2编程计算数据与模拟软件结果的比较

4.3小结

第五章结论

致谢

参考文献

作者攻硕期间取得的成果