盘荷波导、脊加载盘荷波导和螺旋带慢波系统特性研究

摘要

该论文用理论分析,数值软件模拟以及实验研究等不同的方法对行波管的慢波系统(以螺旋线为例)和相对论行波管的慢波系统(以盘荷波导为例)的高频特性作了全面的分析.另外提出了一种新型脊加载盘荷波导结构,分析了等离子体加载对盘荷波导慢波结构性能的影响,该文的冷特性研究结果可直接用于大信号研究,对相对论行波管的大信号特性进行了简要的分析,对盘荷波导的色散特性进行了实验研究.该文对行波管/相对论行波管慢波结构作了具有一定创新意义的理论分析及数值模拟,对于行波管和相对论行波管慢波结构的设计提供了理论依据.该论文的主要工作和创新之处:一、对盘荷波导的传统研究忽略了混合模,而实际上混合模对行波管的互作用也会产生一定的影响.考虑混合模式,采用严格的场论分析方法推导普遍的盘荷波导的色散方程和耦合阻抗的表达式,在此基础上设计了实用的盘荷波导慢波结构,应用于相对论行波管中.二、从麦克斯韦方程和流体理论出发,推导了填充磁化等离子体慢波结构的基本方程.在大磁场情况下,首次对等离子体加载盘荷波导的色散特性和耦合阻抗作了研究,结果表明填充等离子体使色散曲线上移,耦合阻抗提高.三、发展了用傅立叶级数展开慢波结构边界函数求解周期加载波导结构的方法,使其不但可以计算轴向具有周期性的结构,也能计算角向具有周期性的结构.四、提出了一种新型脊加载盘荷波导,对它的色散特性和耦合阻抗都进行了分析.在盘上加脊可以改善盘荷波导的带宽,有望在相对论行波管中得到应用.五、首次考虑螺旋线厚度,翼片加载所引起的角向空间谐波,建立了有限厚度翼片加载螺旋线慢波结构的模型.六、考虑螺旋带厚度,对介质分层,取不同的径向相位常数,建立了螺旋带简单翼片模型.七、分别采用电磁仿真软件MAFIA和HFSS对该文所研究的三种不同类型的慢波结构进行了数值模拟分析,并与解析结果和有关实验结果进行了对比.八、从模式展开理论出发,建立了相对论行波管的非线性互作用自洽工作方程组.九、设计了一种窄带和一种宽带盘荷波导慢波结构,制作了冷测模型,对模型用谐振法进行了冷测实验.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

1.1微波真空电子器件研究现状及发展

1.2行波管/相对论行波管概述

1.2.1行波管概述

1.2.2相对论行波管概述

1.3行波管/相对论行波管慢波系统研究现状

1.3.1螺旋线慢波系统研究现状

1.3.2盘荷波导及其变形结构研究现状

1.4等离子体加载慢波结构研究现状

1.5软件模拟对慢波结构的研究

1.6本学位论文的主要工作与创新

1.7整个学位论文的组织

第二章盘荷波导慢波结构高频特性分析

2.1引言

2.2物理模型

2.3色散关系

2.4耦合阻抗

2.5结果与讨论

2.6小结

第三章等离子体填充盘荷波导高频特性分析

3.1引言

3.2填充磁化等离子体的基本理论

3.2.1纵向场分量所满足的方程

3.2.2纵向场分量的求解

3.2.3用纵向场分量表达横向场分量

3.3等离子体填充盘荷波导的色散特性

3.4耦合阻抗

3.5计算结果与讨论

3.6小结

第四章脊加载盘荷波导慢波结构特性研究

4.1引言

4.2分析方法

4.2.1边界函数的分解

4.2.2场表达式

4.2.3边界条件

4.2.4色散方程

4.2.5方法的收敛性

4.3脊加载盘荷波导的色散特性

4.4耦合阻抗

4.5计算结果及分析

4.6小结

第五章翼片加载螺旋线慢波结构高频特性分析

5.1引言

5.2导电面有限厚度翼片模型

5.2.1物理模型

5.2.2色散关系

5.2.3耦合阻抗

5.2.4衰减常数

5.2.5计算结果与分析

5.3螺旋带简单翼片模型

5.3.1物理模型

5.3.2色散关系

5.3.3耦合阻抗

5.3.4衰减常数

5.3.5计算结果与分析

5.4两种模型的比较

5.5小结

第六章慢波系统高频特性的软件模拟

6.1引言

6.2模拟软件简介

6.3模拟方法

6.3.1色散特性

6.3.2耦合阻抗

6.4模拟结果与讨论

6.4.1盘荷波导慢波结构的高频特性模拟

6.4.2脊加载盘荷波导的高频特性模拟

6.4.3螺旋线慢波结构的高频特性模拟

6.5小结

第七章相对论行波管非线性特性研究

7.1引言

7.2大信号工作方程

7.2.1基本理论

7.2.2相对论行波管大信号工作方程组

7.2.3输出功率、效率及增益

7.3相对论行波管高频特性

7.4相对论行波管大信号分析

7.5小结

第八章盘荷波导慢波结构色散特性的实验研究

8.1引言

8.2测量原理

8.3实验装置及测量方法

8.4实验结果与分析

8.5小结

第九章结束语

参考文献

致谢

个人简历

作者在攻读博士学位期间发表的主要论文