W波段回旋速调管放大器模拟研究

摘要

回旋管是一类基于相对论电子回旋脉塞工作的快波器件,利用磁场中做回旋运动电子的相对论质量效应,产生群聚并在满足回旋脉塞谐振条件下产生注波换能。回旋管能够产生高峰值功率和高效率,在毫米波段及亚毫米波段具有卓越的性能,作为高功率波源在国防科技与民用方面具有着巨大前景。回旋速调管放大器功率、效率和增益高,并具有一定的带宽,性能比较稳定,广泛应用到毫米波通讯、雷达系统、高能物理及材料等领域,已经发展为回旋管家族中最重要的成员之一,在国际上受到了广泛的关注。
　　本论文对W波段、TE01模式的回旋速调管放大器进行了理论分析和数值模拟研究,并分别对磁控注入电子枪发射的电子注和互作用区的注波换能进行了详细研究。全文的主要研究如下:
　　1.以模式展开和场匹配理论为基础,对回旋速调管高频结构中各谐振腔进行了分析和计算,得到谐振腔初步结构尺寸,分别建立了输入腔、群聚腔和输出腔模型,利用HFSS和CST分别进行了建模仿真和优化设计,并讨论了谐振腔的关键参数对谐振频率及品质因数Q等参量的影响,得到了94GHz、工作模式为TE01模的模式纯度较高的谐振腔。
　　2.对磁注入电子枪进行了相关研究和设计,根据理论推导得到电子枪初步结构尺寸,建立了单阳极电子枪模型,利用粒子模拟软件MAGIC进行了模拟和仿真,并讨论了相关参数对电子注的影响,得到了电子注参数符合注波互作用要求的结果。
　　3.根据优化得到的各谐振腔结果,建立了腔壁加载损耗介质的高频系统粒子模型,利用MAGIC软件对注波互作用进行了数值模拟仿真,重点对高频结构中漂移段尺寸、线圈磁场、电子注参数以及输入功率等因素对回旋速调管增益、互作用效率及输出功率的影响做了归纳和分析,通过大量优化计算得到了四腔回旋速调管高频系统模型,并获得了360kW左右的输出功率,其互作用效率为32％,增益为37dB,带宽为650MHz左右。为以后的W波段回旋速调管的研制工作提供了依据。

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第一章 绪论

1.1毫米波系统的发展

1.2 电子回旋脉塞机理与回旋管的发展

1.3 回旋速调管的研究

1.4 学位论文主要工作与贡献

第二章 回旋速调管高频结构谐振腔分析

2.1 场匹配法

2.2输入谐振腔

2.3群聚腔模型

2.4 输出谐振腔

2.5 本章小结

第三章 磁注入电子枪研究

3.1磁控注入式电子枪

3.2电子枪模拟仿真

3.3本章小结

第四章 高频系统注波互作用分析

4.1 注波互作用非线性理论

4.2 注波互作用模拟优化分析

4.3高频系统中各参量的粒子模拟结果

4.4 本章总结

第五章 结束语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的成果