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回旋行波放大器的相关理论研究与数值模拟

作　者: 焦重庆
导　师: 罗积润
学　校: 中国科学院研究生院（电子学研究所）
专　业: 物理电子学
关键词: 毫米波放大器回旋行波管注-波互作用回旋返波管
分类号: TN722
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 151次
引　用: 4次
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内容摘要

回旋行波放大器能在毫米和亚毫米波段产生高功率、宽频带相干电磁辐射，在毫米波雷达、通信、电子对抗及工业应用等领域有很好的应用前景。本文围绕其中注-波互作用这一主题，开展了理论研究和数值模拟工作。1．推广了圆波导TE模回旋行波放大器的互作用理论，使之能考虑电子注偏心的影响，并探讨了注偏心影响互作用的机理。对TE₀₁模回旋行波放大器的研究表明：注偏心对互作用的影响很大程度上决定于电子注导引中心初始半径。2．发展了TM模回旋行波放大器的线性理论，并提出了TM模可能适合作为回旋返波振荡器工作模式的观点。研究表明，当电子注与TM模反向波互作用时，电子能同时释放横向能量和轴向能量，电子速度比的减小对起振电流影响较小，这些均有利于注-波能量交换。3．导出了有损圆波导中考虑损耗层厚度影响时模式传输常数的解析公式，验证了公式计算结果的可信性。分析了损耗层厚度对回旋行波放大互作用的影响。结果表明：适当选择损耗层厚度和电导率可达到对期望的工作模式衰减较小，对竞争模式则衰减较强的目的。4．从电子回旋角度微扰的近似方法入手，建立了两段式回旋行波放大器中电子群聚的解析理论，得到了行波群聚参数、惯性群聚参数及谐波电流的解析表达式。这一理论便于我们理解和比较不同谐波工作方式下的电子群聚和互作用特点。5．完成了一个Ka波段输出、基波TE₀₁模-二次谐波TE₀₂模谐波倍增回旋行波放大器的初步设计。分析了基波段和二次谐波段的模式竞争和稳定性状况，研究了工作参数变化对互作用结果的影响。在电压70kV、速度比1.2、电流15A及5％速度零散电子注的推动下，数值模拟获得了150kW峰值功率，14.3％效率，0.9GHz（2.8％）带宽以及30dB增益的结果。若采用线性渐变磁场，功率、效率和增益可分别提高到240kW、22.8％和36dB，但带宽会下降到0.7GHz（2.18％）。6．形成了一套互作用过程的模拟设计程序。包括线性分析、非线性分析及稳定性分析三部分。非线性分析程序可考虑多种因素（如磁场渐变、分布损耗及导引中心漂移等）的影响，能适用于多段放大电路以及不同谐波工作方式。通过与国际期刊论文中结果的对比，验证了程序计算结果的可信性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-24
  1.1 引言  9-10
  1.2 ECM辐射机理  10-12
  1.3 回旋管家族  12-14
  1.4 回旋管的应用  14-16
  1.5 回旋行波放大器的历史和发展现状  16-21
  1.6 本论文选题的目的、意义及主要工作内容  21-24
第二章圆波导回旋行波放大器的线性理论  24-47
  2.1 引言  24-25
  2.2 波导场的局部展开  25-28
    2.2.1 广义柱形波导中场的局部展开  25-27
    2.2.2 圆波导中场的局部展开  27-28
  2.3 电子注偏心情况下 TE模回旋行波放大器的线性理论  28-36
    2.3.1 模型所需的假设  28-29
    2.3.2 电子注偏心时电子回旋中心坐标系中的场展开  29-31
    2.3.3 电子动力学  31-33
    2.3.4 高频场动力学  33-36
  2.4 TM模行波与回旋电子注互作用的线性理论  36-41
    2.4.1 TM模场在电子回旋中心坐标系中的场展开  36-38
    2.4.2 电子动力学  38
    2.4.3 高频场动力学  38-41
  2.5 线性增长率与起始损耗  41-43
  2.6 绝对不稳定性  43-45
  2.7 回旋返波振荡  45
  2.8 小结  45-47
第三章圆波导回旋行波放大器的自洽非线性理论  47-61
  3.1 引言  47-48
  3.2 自洽非线性理论  48-56
    3.2.1 电子动力学  48-52
    3.2.2 高频场动力学  52-54
    3.2.3 初始条件与边界条件  54-56
      3.2.3.1 初始电子分布  54-55
      3.2.3.2 边界条件  55-56
  3.3 一种简化形式的非线性理论  56-60
  3.4 小结  60-61
第四章回旋行波放大器若干相关问题研究  61-85
  4.1 引言  61
  4.2 波导壁损耗层厚度的考虑  61-73
    4.2.1 考虑损耗层厚度时圆波导电磁传输特性  62-68
      4.2.1.1 解析公式推导  63-65
      4.2.1.2 计算结果与讨论  65-68
    4.2.2 损耗层厚度对互作用影响的分析  68-73
  4.3 回旋行波放大器中电子注偏心的影响  73-78
    4.3.1 理论方法  73
    4.3.2 计算结果与讨论  73-78
  4.4 TM模回旋返波振荡器  78-84
    4.4.1 引言  78-79
    4.4.2 TM_(11)模回旋返波振荡器  79-84
  4.5 小结  84-85
第五章一种谐波倍增回旋行波放大器的理论分析与数值模拟  85-113
  5.1 引言  85-86
  5.2 两段式回旋行波放大器中的电子群聚  86-93
    5.2.1 群聚机制  86-87
    5.2.2 模型和理论  87-91
    5.2.3 结果与讨论  91-93
  5.3 基波TE_(01)-二次谐波TE_(02)谐波倍增回旋行波放大器的理论设计  93-111
    5.3.1 基波段稳定性分析  93-100
      5.3.1.1 TE_(01)绝对不稳定性  94
      5.3.1.2 TE_(21)返波振荡  94-97
      5.3.1.3 TE_(11)返波振荡  97-98
      5.3.1.4 TE_(02)返波振荡  98-100
    5.3.2 二次谐波段稳定性分析  100-103
    5.3.3 大信号分析  103-111
      5.3.3.1 几何参量对互作用的影响  103-105
      5.3.3.2 电参量对互作用的影响  105-109
      5.3.3.3 谐波倍增方式的特点  109-111
  5.4 小结  111-113
第六章回旋行波放大器互作用模拟程序的功能与验证  113-128
  6.1 引言  113
  6.2 线性分析程序  113-115
    6.2.1 线性增长率  113
    6.2.2 起始损耗  113-115
  6.3 稳定性分析程序  115-119
    6.3.1 绝对不稳定性  115-118
    6.3.2 回旋返波振荡  118-119
  6.4 非线性分析程序  119-120
  6.5 回旋行波放大器的注一波互作用特点  120-127
  6.6 小结  127-128
第七章结束语  128-131
  7.1 论文结论  128-130
  7.2 未来研究工作  130-131
参考文献  131-141
攻读博士期间发表论文  141-143
致谢  143

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