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Ku波段低磁场过模慢波高功率微波发生器研究

作　者: 李川
导　师: 舒挺
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 高功率微波 Ku波段低磁场过模慢波结构模式选择
分类号: TN12
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

论文提出了一种Ku波段低磁场过模慢波结构高功率微波发生器。文中结合理论分析和粒子模拟方法对该器件进行了相关研究,证实了在低磁场条件下实现Ku波段的GW级高功率微波输出的可能性。论文的研究内容包括以下几个方面:首先,对拟研究器件相关的物理问题进行了理论分析。采用解析法和数值法研究了矩形慢波结构的色散特性,分析了慢波周期和慢波片深度对色散特性的影响;求解慢波器件的耦合阻抗,分析了束半径对耦合阻抗的影响;计算维持电子束平衡和控制电子束波动所需的最低磁场,通过对回旋共振点的预测,判断得出较低的导引磁场可以满足器件中电子束导引的要求;经估算比较了过模结构相对于单模结构的优点,同时讨论了模式选择的方法。其次,采用粒子模拟的方法研究了Ku波段过模慢波器件的慢波周期、慢波片深度、导引磁场和束电压等参数对束波作用的影响,优化得到频率为14.38GHz、功率1.1GW的微波输出:外加二极管电压为500kV、电流5.8kA、导引磁场0.7T、束波转换效率37.9%、慢波区微波模式为TM₀₁。在此基础上,探索该波段更高频率微波输出的器件,通过结构调整,加入前反射腔,在二极管电压600kV、电流6.8kA、导引磁场1.0T下,获得了频率16.96GHz,功率1.2GW的微波输出,束波转换效率为29.3%。模拟发现,反射腔可增强束波作用。最后,进行了实验的初步设计,包括实验系统、器件装配、导引磁场的设计,并对实验测量和可能遇到的相关问题进行了分析。实验系统由选取的加速器平台、慢波器件,以及配套的真空系统和测量系统等组成;器件装配结构的最大径向和轴向尺寸分别为22.8cm和45.5cm;导引磁场可由4个180μF、充电2.0kV的电容器供电下的励磁线圈提供,线圈最大电流500A,电流达到最大值所需时间为4ms;对于本模型中的Ku波段微波,频率测量拟用混频法,功率和模式测量采用远场法。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-21
  1.1 高功率微波器件  13-14
    1.1.1 高功率微波的产生  13
    1.1.2 高功率微波器件的分类  13-14
  1.2 几种典型高功率微波器件的发展  14-17
    1.2.1 相对论速调管  14-15
    1.2.2 相对论磁控管  15
    1.2.3 磁绝缘线振荡器  15-16
    1.2.4 相对论返波管  16-17
  1.3 Ku 波段及过模慢波高功率微波器件研究现状  17-19
    1.3.1 Ku 波段高功率微波发生器研究现状  17
    1.3.2 过模高功率微波发生器研究现状  17-19
  1.4 课题研究的意义和主要内容  19-21
    1.4.1 课题研究的意义  19-20
    1.4.2 课题研究的主要内容  20-21
第二章慢波器件相关问题的理论分析  21-38
  2.1 相关问题的提出  21-22
  2.2 色散关系  22-30
    2.2.1 解析法求解  22-27
    2.2.2 数值法求解  27-30
  2.3 耦合阻抗  30-32
  2.4 低磁场工作可行性分析  32-34
    2.4.1 磁场对电子束传输的影响  32-33
    2.4.2 回旋共振吸收磁场值的计算  33-34
  2.5 过模结构的优点与模式选择  34-37
    2.5.1 过模结构的优点  34-36
    2.5.2 模式选择  36-37
  2.6 小结  37-38
第三章 Ku 波段低磁场过模慢波高功率微波发生器模拟研究  38-54
  3.1 粒子模拟方法  38-39
    3.1.1 基本思想  38
    3.1.2 求解流程  38-39
  3.2 粒子模拟物理模型  39-42
    3.2.1 基本模型  39-41
    3.2.2 磁场分布  41-42
  3.3 主要参数对器件性能的影响  42-44
    3.3.1 慢波周期  42
    3.3.2 慢波片波纹深度  42-43
    3.3.3 二极管电压  43-44
    3.3.4 导引磁场  44
  3.4 模拟结果分析  44-48
    3.4.1 粒子群聚  44-45
    3.4.2 电流调制  45-46
    3.4.3 输出微波频率及功率  46-47
    3.4.4 输出口及慢波区模式  47-48
  3.5 频率上调的模拟模型及结果  48-52
    3.5.1 基本模型  48-49
    3.5.2 模拟结果  49-51
    3.5.3 前反射腔对微波参数的影响  51-52
  3.6 小结  52-54
第四章实验初步设计  54-62
  4.1 实验系统设计  54
  4.2 慢波器件实验设计  54-55
  4.3 导引磁场设计  55-58
    4.3.1 螺线管磁场计算  55-57
    4.3.2 螺线管参数计算  57-58
  4.4 参数测量方法  58-60
  4.5 小结  60-62
第五章总结与展望  62-64
  5.1 论文总结  62-63
  5.2 展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
作者在学期间取得的学术成果  68

Ku波段低磁场过模慢波高功率微波发生器研究

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