回旋管注波互作用非線性理論與模擬研究.pdf

1、回旋管是一類(lèi)具有重要發(fā)展前景的毫米波器件，能在毫米波及亞毫米波波段產(chǎn)生高功率、高效率和高增益，性能穩(wěn)定，有一定的帶寬，廣泛應(yīng)用在高功率雷達(dá)、電子對(duì)抗、微波武器、通信等領(lǐng)域，是目前電真空器件的熱點(diǎn)研究對(duì)象之一。
　　回旋管的注波互作用情況決定了回旋類(lèi)器件的電子效率和主要的工作性能。是回旋類(lèi)器件研究的關(guān)鍵內(nèi)容，也是目前研究最為廣泛的課題之一。各國(guó)學(xué)者開(kāi)發(fā)了一系列可用于回旋管注波互作用的模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。本論文在深入了解回旋管的研究現(xiàn)

2、狀、發(fā)展方向及應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，對(duì)回旋管的注波互作用非線性理論進(jìn)行了研究。主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.從基本的電磁場(chǎng)理論出發(fā)，推導(dǎo)出回旋管中電子注與高頻場(chǎng)相互作用的自洽非線性方程組，建立了回旋振蕩管、回旋速調(diào)管以及回旋行波管均適用的注波互作用自洽非線性理論模型。該模型采用簡(jiǎn)化的電磁場(chǎng)描述方法，用波導(dǎo)中橫向電磁場(chǎng)的本征模式的疊加表示電磁場(chǎng)。相應(yīng)地，將麥克斯韋方程組簡(jiǎn)化為各模式電壓復(fù)振幅與電流復(fù)振幅關(guān)于時(shí)間和軸向坐標(biāo)的耦合偏微分方

3、程組（即廣義電報(bào)方程），從而將電磁場(chǎng)的求解轉(zhuǎn)化為廣義電報(bào)方程的求解。各模式的場(chǎng)幅值隨時(shí)間緩慢變化，更新電磁場(chǎng)的基本時(shí)間量程僅與諧振腔的填充時(shí)間相聯(lián)系，因而允許比較長(zhǎng)的時(shí)間間隔更新場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，為了能夠求解含有有限表面阻抗的電磁場(chǎng)，對(duì)廣義電報(bào)方程進(jìn)行了擴(kuò)展，給出了損耗邊界積分的處理方法，使廣義電報(bào)方程能夠計(jì)算損耗結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)。
　　2.電子運(yùn)動(dòng)方程采用引導(dǎo)中心近似。在引導(dǎo)中心坐標(biāo)系下，引入兩種假設(shè)，其一是假設(shè)粒子穿過(guò)腔體的時(shí)間比電磁

4、場(chǎng)演變時(shí)間要短。根據(jù)這種假設(shè)，粒子在腔內(nèi)電磁場(chǎng)的輻射包絡(luò)發(fā)生大的改變之前離開(kāi)腔體。這就允許我們?cè)诿枋鲭娮舆\(yùn)動(dòng)方程時(shí)，將軸向坐標(biāo)作為獨(dú)立變量。而無(wú)需向 PIC粒子模擬方法那樣執(zhí)行耗時(shí)的粒子位置沿軸向網(wǎng)格的插值運(yùn)算，從而減少計(jì)算時(shí)間。其二是假設(shè)軸向磁場(chǎng)很強(qiáng)。在這種假設(shè)下，拉莫爾半徑小于腔體特性長(zhǎng)度，粒子沿磁場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)。這兩種假設(shè)的引入可以對(duì)電子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而降低計(jì)算量。對(duì)激發(fā)電磁場(chǎng)的電流源，采用所有電子軌跡求和表示電流密度，根據(jù)電流源

5、的定義得到電流源方程。從回旋管電子注橫向速度滿(mǎn)足高斯分布出發(fā)，建立了速度零散的分布模型。該模型更準(zhǔn)確的反映粒子的分布情況，使非線性理論的計(jì)算結(jié)果更有意義。
　　3.利用回旋管注波互作用自洽非線性理論模型，本文對(duì)一支Ka波段兩腔回旋速調(diào)管放大器的非線性特性進(jìn)行了深入研究。分析了注波互作用中的能量變化，研究了輸入功率、電子注電壓、電流、工作磁場(chǎng)、橫縱速度比等工作參量對(duì)效率的影響。同時(shí)，應(yīng)用粒子模擬軟件MAGIC對(duì)設(shè)計(jì)的Ka波段兩腔回旋

6、速調(diào)管放大器進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，并對(duì)兩種方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。MAGIC粒子模擬結(jié)果與自洽非線性理論程序結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了回旋管注波互作用自洽非線性理論的正確性。在此基礎(chǔ)上，利用所建立的理論模型設(shè)計(jì)了一支Ka波段二次諧波三腔回旋速調(diào)管放大器，研究了該回旋速調(diào)管放大器的非線性過(guò)程及特點(diǎn)。通過(guò)分析其非線性特性，確定了該回旋速調(diào)管放大器的最佳工作參數(shù)。同時(shí)，利用粒子模擬軟件MAGIC進(jìn)行大量的計(jì)算模擬，對(duì)設(shè)計(jì)的Ka波段二次諧波三腔回

7、旋速調(diào)管放大器進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　4.利用回旋管注波互作用自洽非線性理論模型，針對(duì)復(fù)合腔回旋管的特性，研究了94GHz二次諧波復(fù)合腔回旋管。分析了不同工作參數(shù)對(duì)復(fù)合腔回旋管非線性特性的影響，并總結(jié)模擬結(jié)果給出一組最優(yōu)的參數(shù)。將優(yōu)化參數(shù)代入粒子模擬軟件MAGIC，對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)合腔回旋管進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。
　　5.利用高頻軟件HFSS、粒子模擬軟件MAGIC和廣義電報(bào)方程，討論了漂移段內(nèi)和諧振腔內(nèi)損耗結(jié)構(gòu)對(duì)回旋速調(diào)管和回旋行波管性