8mm回旋行波管注-波互作用数值模拟和分析

摘要

在毫米波系统中最重要的部件是毫米波源，它决定了毫米波系统的性能。所以研制性能稳定、能有效输出高功率毫米波的毫米波源就显得极其重要。目前比较成熟的高功率毫米波源以回旋放大器为主，而在回旋放大器中，回旋速调管放大器是发展较快的一种管型。相比回旋行波管放大器，回旋速调管放大器在稳定性、输出功率和互作用效率等方面有着较大的优势，对电子枪产生的电子注的速度离散等参数的要求也相对较低，因而得到了各国研究机构的重视，在回旋放大器中它的发展也最为迅速。但是回旋速调管放大器由于工作原理等原因，相比回旋行波管放大器，它的带宽相对较窄，无法满足将来军事和科研等领域对高功率微波源的需要。回旋行波管放大器也因此成为现阶段各国研究的热点，各国都加大了对回旋行波管放大器的研究力度，在理论和实际应用均取得了较大的进展。
　　 本文对互作用段长度为200mm和300mm的30GHz回旋行波管放大器进行了数值模拟和分析，其中对互作用段长度为200mm的回旋行波管放大器进行了重点研究，主要工作如下：
　　 1、根据已有文献，设计了互作用段长度为200mm的损耗介质加载结构的回旋行波放大器，在Magic平台下编写了模拟程序代码，进行了注-波互作用数值模拟，根据模拟结果优化了放大器的高频结构尺寸和工作参数。该放大器工作在TE01模，工作磁场为0.972T，工作电压为68kV，工作电流为16A，电子横纵速度比α=1.12，放大器的峰值功率为400kW，电子效率为36.8％，增益为45dB，3dB带宽超过2.5GHz。该模拟分析的结果被应用到课题组样管的研制中，并参加了样管的热测实验，测试结果如下：在29GHz到31GHz频带内峰值功率均超过100kW，在频率为29.8GHz时，得到最大脉冲功率200kW，增益为33dB，电子效率为18.7％。
　　 2、根据已有文献，设计了互作用段长度为300mm的损耗介质加载结构的回旋行波放大器，在Magic平台下编写了模拟程序代码，进行了注-波互作用数值模拟，根据模拟结果优化了放大器的高频结构尺寸和工作参数。该放大器工作在TE01模，工作磁场为0.972T，工作电压为66kV，工作电流为15A，电子横纵速度比α=1.15，放大器的峰值功率为370kW，电子效率为37.4％，增益为60.5dB，3dB带宽超过3GHz。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1.1电子回旋脉塞简介

1.2回旋管简介

1.2.1回旋管的分类

1.2.2回旋管放大器的工作原理

1.3国内外回旋管放大器发展现状

1.4本论文的研究工作和主要意义

第二章互作用段长度为200毫米30GHz回旋行波管研究

2.1回旋行波放大器发展现状

2.2自激振荡的研究

2.3高频结构的设计

2.3.1波导结构的选取

2.3.2非线性模拟和优化

2.3.3高频结构最终设计方案

2.4数值模拟结果和分析

2.4.1放大器注-波互作用分析

2.4.2粒子模拟输出结果

2.5放大器输出特性的研究

2.6轴向磁场的优化

2.7实际样管热测数据

2.8小结

第三章互作用段长度为300毫米30GHz回旋行波管研究

3.1高频结构的设计

3.1.1高频结构最终设计方案

3.2粒子模拟结果与分析

3.2.1放大器模拟输出结果

3.2.2放大器输出特性研究

3.3小结

第四章总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果