X波段同轴多注速调管优化及仿真

摘要

本文对工作在TM310模式下的X波段同轴多注速调管进行了理论分析与粒子模拟。结合CST软件，对同轴谐振腔的特征进行仿真和理论研究，并测试冷腔参数。对X波段多注速调管的理论研究，包括速调管基本原理、小信号理论、大信号理论、谐振腔理论、收集极结构设计等。其中着重分析了空间电荷波理论、场波互作用、以及电子原盘理论等。依据理论计算出谐振腔结构参数、电参数等，并分析其对注波互作用和输出功率、频谱的影响。此外，还研究了收集极虚阴极现象的起因，提出有效解决方法，成功抑制住了电子回流现象。
　　在理论上，结合CST软件对X波段速调管互作用段的工作特性进行研究。其中对TM310模的研究，分为三部分：一是计算谐振腔特征参数，例如工作频率、特征阻抗、品质因数等，并通过CST软件分析其与同轴谐振腔结构参数、漂移管结构参数之间的关系；二是分析速调管电参数，根据电压、电流密度和输入的高频信号等计算输出的功率、频率。调节输入、输出腔以及耦合孔结构，使之对应合适的工作参数；三是分析TM310模式下，X波段速调管谐振腔的场分布，同时计算间隙电场、耦合系数等。
　　在仿真上，采用我国自独立研发的三维粒子模拟软件——CHIPIC，对整管进行仿真。研究速调管结构参数、电参数等与输出频率、功率和增益的关系。通过增大耦合孔半径将输出功率从33.6KW提高到39KW，通过增加损耗材料，抑制腔体自激振荡，将Q值从3000多降低至20以内，并拓展了速调管带宽。阴极发射6注束电流，电压21.5KV，总电流14.5A，电流密度358KA/m2。输入频率为9.75GHz、功率2.5W左右的高频信号，测得输出频率9.75GHz，输出功率约为100KW，滤波后输出功率为45KW，效率约为14％，增益约为42.6dB，带宽为200MHz。
　　此外，本文根据CST软件的冷枪测试结果，研究了TM310模式，并引入短路杆解决了该模式的极化问题。对输入、输出腔场分布出现畸变的情况，本文引入调谐杆，不但使场分布重新恢复均匀，还增大了输出功率。通过CHIPIC软件里的动量、粒子瞬时相位图实时观测电子回流过程，分析并解决此现象。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 多注速调管发展历程、现状和未来研究方向

1.3 多注速调管的基本结构和工作原理

1.4 三维电磁粒子模拟软件CHIPIC

1.5 本论文研究内容及意义

第二章 速调管的大信号理论

2.1 速调管工作的基本物理过程

2.2 速调管的大信号理论

第三章 谐振腔的计算和研究

3.1 谐振腔等效电路及参数计算

3.2 群时沿法计算输入、输出腔外观品质因子

3.3 高次模同轴谐振腔特性

第四章 收集极的计算与模拟

4.1 收集极计算与仿真

4.2 电子回流现象原理分析

4.3 电子回流抑制方案研究

第五章 TM310模多注速调管的软件模拟

5.1 TM310模多注速调管参数计算

5.2 TM310模多注速调管的粒子模拟

第六章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果