回旋管關鍵技術的研究.pdf

1、雖然現(xiàn)在廣泛使用固態(tài)半導體器件，但是電真空器件以其在微波、毫米波波段高功率、高頻率等特點，在某些應用領域起著不可替代的作用?；匦茏鳛殡娬婵掌骷易逯幸活愔匾奈⒉ê撩撞ㄔ?，用于可控核聚變反應的電子回旋諧振加熱(ECRH)、雷達、工業(yè)燒制等方面，具有廣闊的軍事及民用前景，其研制受到各國的重視。 第一部分，根據(jù)電子回旋脈塞的動力學理論，對回旋振蕩管進行了分析。利用回旋振蕩管的線性理論及等價表面阻抗法，研究了高頻率高功率同軸內(nèi)開槽回

2、旋振蕩管的高頻結構；研究了同軸內(nèi)開槽高頻結構的模式選擇特性及對模式壁損耗的抑制作用，為170GHz同軸內(nèi)開槽回旋管高頻結構的研制提供了理論和模擬基礎。 建立170GHz同軸回旋管的三維PIC模擬模型，通過模擬研究了電子注電流、電子注橫縱速度比和縱向磁場強度等參數(shù)對輸出功率、效率、模式純度的影響。優(yōu)化后得到了穩(wěn)定單模兆瓦級功率輸出。 第二部分，研究了TE0n-TE0(n+1)波導模式轉換器和TEml-TEll波導模式轉換器

3、兩類高功率模式轉換器。利用耦合波理論，建立了這兩類模式轉換器數(shù)值分析的模型，編寫了效率及帶寬計算程序；針對第一種模式轉換器，還嘗試采用了一種新型非均勻半徑漸變結構。 通過理論分析，數(shù)值計算和仿真模擬得出如下結果：(1)兩類TE0n-TE0(n+1)模式轉換器都能有效地進行模式轉換，其中非均勻半徑漸變模式轉換器具有轉換效率高(99.5％)，帶寬超過1.5GHz。(2)采用波導軸線蛇形線微擾結構TE01-TEl1模式轉換器，模擬轉換

4、效率達到了98％以上，帶寬超過2G。 第三部分，電子槍提供電子注的性能直接影響到諧振腔中注波互作用的效果。結合本教研室的科研項目，本文研究設計了雙陽極磁控注入槍和大回旋電子槍，對電子槍的工作原理作了詳盡的理論分析；結合PIC模擬結果，討論了一系列設計參數(shù)的變化對電子槍主要性能，如電子注橫縱速度比、電子注速度零散所造成的影響，對陽極電壓、磁場分布、槍體結構等參數(shù)進行優(yōu)化，PIC模擬結果顯示，設計的兩類電子槍均取得了優(yōu)良的電子注參數(shù)

5、。 特別的是，針對回旋放大器傳統(tǒng)的橫向信號輸入方式，本文獨創(chuàng)性地提出了采用電子槍陰極同軸信號輸入，陽極后過渡段進行模式轉換的信號輸入方式并對其進行嚴格的理論和模擬驗證。其間，首先對TE0n-TE0(n+1)波導模式轉換器和TEml-TE11波導模式轉換器兩類模式轉換器進行了研究，設計出符合要求的模式轉換器并與本文所設計的兩類電子槍相結合。模擬結果表明這種同軸信號輸入的新型電子槍具有其科學性和實用性，達到了預期的結果。 本

6、文在大量閱讀國內(nèi)外相關文獻及本教研室的科研成果的基礎上，在導師的悉心指導下，對同軸內(nèi)開槽高頻結構、波導模式轉換器及大小回旋電子槍的設計做了一些有意義的工作并提出了一些新的思路和方法，具體如下： 1．研究了同軸內(nèi)開槽結構諧振腔，詳盡地分析了結構參數(shù)對諧振腔性能的影響，如內(nèi)外半徑的比值對模式選擇特性的影響，開槽尺寸對減少模式功率損耗的影響等；針對具體結構進行PIC模擬，對今后的設計工作及工程實現(xiàn)具有重要的指導意義。 2．利用

7、耦合波理論，研究了TE0n-TE0(n+1)波導模式轉換器和TEml-TE11波導模式轉換器兩類高功率模式轉換器。建立了這兩類模式轉換器數(shù)值分析的模型，編寫了用于效率及帶寬計算的程序；針對第一種模式準換器，采用了一種新型非均勻半徑漸變結構，數(shù)值分析和軟件模擬結果顯示，這種結構的轉換效率和帶寬大大優(yōu)于傳統(tǒng)結構。以上的波導模式轉換器在微波毫米波工程中具有很大的實用價值。 3．深入研究了雙陽極磁控注入槍及大回旋半徑電子槍，建立了三維的