S波段磁绝缘线振荡器的理论研究

摘要

磁绝缘线振荡器(MILO)是一种吉瓦级同轴正交场器件，与线性磁控管相似。主要优点在于它的直流磁场是由管子内部电流提供，不需要外加磁场，使得MILO结构紧凑，重量轻，可以在低阻抗下工作。这种自绝缘特性使得它可以在输入非常高的电压(数百千伏)和电功率(数十吉瓦)下工作而阴阳极之间不产生击穿，因此MILO是一种很有吸引力的高功率微波源。本文从MILO的同轴慢波结构色散特性、谐振腔高频特性和粒子模拟三个方面对S波段MILO进行了研究。 本论文的主要内容如下： 一、对国内外MILO的总体研究进展进行了分析、综述。对MILO的工作原理进行了介绍。 二、推导MILO无限长同轴慢波结构TM场的色散方程，通过编程计算研究了S波段MILO的色散关系，得出了慢波结构参数对器件频率影响的规律。 三、通过模拟计算对S波段MILO的同轴慢波结构谐振腔、MILO的封闭腔和开放腔等高频特性也进行了研究。 四、通过大量的粒子模拟，对S波段的MILO进行了优化设计，在输入电压450kV、总电流40.1kA的条件下，得到频率为2.42GHz、平均功率为1.80GW的微波输出，功率转换效率为10.0％。研究了S波段MILO中各参数对微波输出功率、微波频率和功率转换效率的影响，并在此基础上对三种改进型MILO进行了模拟和优化，使得在频率变化很小的情况下，起振时间都有所减小，输出功率和转换效率都得到了提高。第一种MILO结构在输入电压为450kV、总电流42.0kA的条件下输出微波平均功率为2.35GW，功率转换效率为12.4％，频率为2.41GHz,第二种MILO结构在输入电压为450kV、总电流41.8kA的条件下输出微波平均功率为2.20GW，功率转换效率为11.7％，频率为2.41GHz,第三种MILO结构在输入电压为450kV、总电流42.1kA的条件下输出微波平均功率为2.25GW，功率转换效率为11.9％，频率为2.41GHz。

目录

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第一章绪论

1.1高功率微波发展概况简介

1.2磁绝缘线振荡器的工作原理

1.3磁绝缘线振荡器中电子的运动

1.4磁绝缘线振荡器的研究概况

1.5本论文的主要工作

第二章磁绝缘线振荡器同轴慢波结构的色散特性研究

2.1 MILO同轴慢波结构TM场的色散方程的推导

2.2数值计算结果及分析

第三章S波段磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

3.1 S波段MILO主慢波结构谐振腔的高频特性研究

3.1.1主慢波结构谐振腔的模型

3.1.2主慢波结构谐振腔TM模的场分布

3.2改进型S波段MILO封闭腔的计算

3.3改进型S波段MILO开放腔的计算

第四章S波段磁绝缘线振荡器的数值模拟和优化设计

4.1粒子模拟方法简介

4.1.1粒子模拟的基本概念

4.1.2粒子模拟的基本思想

4.1.3粒子模拟的基本步骤

4.1.4粒子模拟的诊断

4.2 MILO模拟的基本假设

4.3 L波段MILO模型的验证

4.3.1 L波段MILO数值模拟

4.3.2 MILO工作模式判断

4.4 S波段MILO的数值模拟

4.5 S波段MILO各参数的影响

4.5.1主慢波结构下阴极半径的影响

4.5.2收集极内径的影响

4.5.3阴极深入收集极长度的影响

4.5.4主慢波叶片内径的影响

4.5.5慢波周期的影响

4.5.6慢波叶片厚度的影响

4.5.7主慢波叶片个数的影响

4.5.8阳极筒内径的影响

4.5.9扼流叶片内径的影响

4.5.10提取叶片内径的影响

4.5.11提取间隙的影响

4.5.12工作电压的影响

4.6改进型S波段MILO的数值模拟

4.6.1第一种MILO的模拟

4.6.2第二种MILO的模拟

4.6.3第三种MILO的模拟

第五章结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果