S波段等离子体耦合腔行波管高频结构的理论设计与实验研究

论文摘要

近年来研究发现,在某些微波器件中填充等离子体以后,器件的输出功率和互作用效率都得到显著提高,同时等离子体还可改善电子注的传输质量,甚至取消笨重的外加磁场。全俄电技术研究所、美国休斯实验室和马里兰大学在这方面均有报道,我国电子科技大学高能电子学研究所也正在积极地开展该领域的各项研究工作。本文对等离子耦合腔行波管的高频特性进行了理论分析,完成了详细的数值计算和模拟仿真,对一支S波段等离子耦合腔链进行了冷测实验研究。对于填充磁化等离子体慢波结构,通常采用的线路模型法遇到了困难,本文中采用分区域场匹配结合并矢格林函数、矩量法建立数值分析模型,求解了磁化等离子体填充耦合腔慢波结构的色散方程;分析了等离子体填充状况下的耦合阻抗。从而得到了等离子体耦合腔行波管高频特性。利用基于上述方法得到的耦合腔慢波结构特性计算程序和HFSS三维电磁模拟仿真软件,对耦合腔链模型进行了模拟仿真,计算了色散特性和耦合阻抗,验证了仿真建模,以及模拟方法的正确性。利用仿真软件提供的周期边界条件,对耦合腔慢波系统只需要建立一个周期的模型,即可模拟仿真慢波结构的色散特性,大大减少了计算量。借助于仿真软件丰富的后处理功能,使用精确的定义法进行了耦合阻抗的仿真,在取得仿真精度的同时提高了仿真效率。分析比较了行波管色散测量的不同原理和方法,从中选取最简单有效的测量方法。根据仿真后优化得到的结果,实际加工了一支S波段等离子体耦合腔链的样品,进行了冷腔测试。测试结果验证了耦合腔慢波结构特性计算程序算法的准确度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 等离子体微波技术
• 1.3 国外等离子体填充高功率微波器件主要实验
• 1.3.1 相对论器件
• 1.3.2 非相对论器件
• 1.3.2.1 等离子体辅助慢波振荡器（PASOTRON）
• 1.3.2.2 等离子体填充耦合腔行波管
• 1.4 国内相关机构的研究
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 等离子体耦合腔行波管的高频特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 真空耦合腔色散分析方法
• 2.3 等离子体填充耦合腔慢波结构色散分析方法
• 2.3.1 等离子体耦合腔慢波结构物理模型
• 2.3.2 等离子体耦合腔分析方法
• 2.4 真空耦合腔耦合阻抗
• 2.5 等离子体耦合腔耦合阻抗
• 2.6 小结
• 第三章 等离子体耦合腔高频特性的仿真实验
• 3.1 常用电磁仿真软件简介
• 3.1.1 耦合腔慢波结构特性分析软件介绍
• 3.1.2 精确度分析
• 3.2 真空情况高频特性模拟仿真
• 3.2.1 色散特性模拟
• 3.2.2 耦合阻抗模拟
• 3.3 仿真计算结果分析
• 3.3.1 耦合槽张角为86°的高频特性模拟仿真
• 3.3.2 耦合槽张角为100°的高频特性模拟仿真
• 3.3.3 耦合槽张角为120°的高频特性模拟仿真
• 3.4 小结
• 第四章 等离子体耦合腔链的冷测实验设计
• 4.1 色散测量的三种方法
• 4.1.1 驻波法
• 4.1.2 行波法
• 4.1.3 谐振法
• 4.1.4 三种方法的比较
• 4.2 测试系统
• 4.3 耦合腔链的加工
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文