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圆柱波导TM模式回旋自动谐振脉塞（CARM）的线性特性

作　者: 杨娜
导　师: 张世昌
学　校: 西南交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 圆柱波导CARM放大器 TM模式电子回旋脉塞回旋动力学理论拉普拉斯变换理论线性模拟色散方程
分类号: TN814
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

回旋自动谐振脉塞（cyclotron autoresonance maser,CARM）作为强功率、高效率毫米亚毫米波源,结合了传统回旋管和自由电子激光的优点,在加速器、等离子体加热、雷达、通信以及电子对抗等领域有着广泛的应用前景,因此受到了国际上的高度重视。特别是在最近20年来,不管是在理论研究还是在实验上都取得了很大的成绩。其中研究得最多的是圆柱波导CARM振荡器,并在实验中取得了可观的成绩.关于CARM放大器,人们在理论上作过很多研究,但从实验方面而言,目前只有美国麻省理工学院有相关的报导。以前,已有不少论文对TE模式的回旋器件像回旋管,回旋Peniotron管,回旋自谐振脉塞进行过有成就的研究,但是对TM模式情况的关注却很少。在回旋器件中,当电磁波的纵向电场与相对论性电子束相互作用时,在纵向方向上将会对电子的运动产生重要的影响。在回旋自谐振脉塞的机理中,电子的纵向动能抽成横向动能,然后,通过束一波互作用将能量传给电磁波,使电磁波得到放大。因此,原则上回旋自谐振脉塞采用TM模式不仅是可行的,而且可能具有优越性。本硕士论文研究圆柱波导TM模式CARM放大器的色散特性,增长率以及不同的参数对输出功率和增益的影响。通过对各个参数不断的优化,试图探讨出可以提高该类器件的输出功率,以改善器件的性能。结果显示,圆柱波导TM模式CARM放大器具有很高的输出功率和增益,达到了我们预期的目标。本论文在第一章绪论中简要介绍高功率微波应用、发展现状,和本论文的意义及主要内容。第二章阐述电子回旋脉塞机理和CARM的工作原理,在此基础上论述圆柱波导TM模式CARM放大器的工作机理及可实现性。第三章从电子回旋脉塞的回旋动力学理论入手,分析了电子与波互作用机理,分别根据圆柱波导CARM的回旋动力学理论和用基于麦克斯韦—伏拉索夫方程和拉普拉斯变换的线性理论,推导出电磁波的色散方程。然后利用FORTRAN语言分别编制出求解圆柱波导CARM放大器的色散方程的相关程序。第四章通过对已有的圆柱波导CARM放大器实验数据进行数值模拟,验证了所编制程序的可靠性。第五章分析了不同的参数对该器件的输出功率和增益的影响。第六章通过数值的计算分析和对参数不断优化,最后得出当电磁波选取工作模式TM_1,1,工作频率为35 GHz时,束—波互作用的长度是40cm,所设计的圆柱波导TM模式CARM放大器最大增益能达到87.94dB,从理论和数值模拟上为圆柱波导CARM放大器的理论研究和实验研究提供参考。最后,第七章对全文进行总结,提出对今后工作的建议。本论文主要创新点是:用线性理论论证了回旋自谐振脉塞放大器采用TM模式的可行性;用基于麦克斯韦——伏拉索夫方程和拉普拉斯变换,推导出圆柱波导CARM放大器电磁波的色散方程;通过线性理论,分析了不同的参数对该器件的输出功率和增益的影响,通过对各个参数的不断优化为理论研究和实验研究提供参考。

圆柱波导TM模式回旋自动谐振脉塞（CARM）的线性特性

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