回旋速调放大器理论与模拟研究

论文摘要

回旋器件是一种能够产生高功率毫米波、亚毫米波的新型微波管，并且已被视为高功率毫米波、亚毫米波的首选微波源。作为回旋器件家族的一个重要分支，回旋速调管是将从回旋空心电子注的角向群聚中获取能量的回旋脉塞互作用机理同速调管多腔结构和弹道群聚相结合的微波放大器件。由于回旋速调管放大器具有高峰值功率、高平均功率、高效率、高增益、适当带宽的特点，它们在从通讯、雷达系统、材料加工、到下一代线性加速器和等离子体加热微波源的众多技术领域具有广阔的应用空间。由于回旋速调管长久以来一直被视为产生千瓦级毫米波的重要器件，世界各国的科学家已经为发展回旋速调管做了许多研究工作。电子科技大学开展了以开发Ka波段回旋速调管为核心的回旋速调管研制工作。目前，已成功开展了Ka波段基波回旋速调管的研制和测试工作。当前设计的回旋速调管为四腔（输入腔、预群聚腔、群聚腔和输出腔），工作模式为TE01模，工作频率为34GHz。本论文详细介绍了由相对论电子运动方程和能量守恒原理得出的针对具有一系列突变和渐变结构的回旋速调管注波互作用计算建立的准自洽非线性理论的系统理论研究。作者以该准自洽非线性理论为基础，使用联合编程技术开发了可在Windows系统下独立安装运行的回旋速调管注波互作用模拟计算软件GKER（Gyroklystronemulator），并使用该软件对回旋速调管中的注波互作用进行了大量的数值模拟，对回旋速调管的设计和优化进行了研究。论文中讨论了影响管子效率和增益的多种因素，包括电子注的离散度、回旋速调管的物理参数，如谐振腔间的漂移段长度以及电子注参数（加速电压、束电流、输入功率、横纵速度比等）。经优化后的四腔Ka波段回旋速调管多模模拟计算结果为：在注电压65kV注电流12A的条件下可以达到342kW的峰值功率、43．68％的效率和37．56dB的增益。数值模拟结果为实际工程设计提供参考，也为今后设计性能更优越的高功率回旋速调管铺平了道路。目前实验加工的四腔回旋速调管功率水平已达到300 kW和30％的效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高功率毫米波回旋器件
• 1.2 电子回旋脉塞机理和实验研究
• 1.3 论文主要创新点和组织工作
• 第二章 谐振腔的矩阵分析方法
• 2.1 波导单级突变结构参数矩阵方程的推导
• 2.2 波导多级突变结构的参数矩阵方程的推导
• 2.3 谐振腔谐振频率及品质因数的计算
• 2.3.1 使用本征值法计算谐振频率及品质因数
• 2.3.2 使用驱动求解法计算谐振频率及品质因数
• 2.4 小结
• 第三章 应用波导高频结构分析软件进行的数值模拟计算
• 3.1 软件的安装及使用说明
• 3.1.1 软件的安装
• 3.1.2 软件的使用
• 3.1.3 应用举例及使用注意事项
• 3.2 应用软件进行的数值模拟计算及对结果的校验
• 3.3 结论
• 第四章 回旋速调管注波互作用理论研究
• 4.1 电子运动方程
• 4.1.1 直角坐标系下的分量形式
• 4.1.2 柱坐标系下电磁场的分量形式
• 4.1.3 物理量的归一化
• 4.2 含电子流的传输线方程
• 4.3 回旋速调管准自洽理论
• 4.4 腔体有载品质因数的计算
• 4.5 小结
• 第五章 回旋速调管注波互作用数值模拟
• 5.1 回旋速调管初始参量的设定
• 5.2 回旋速调管各谐振腔的数值模拟与分析
• 5.2.1 回旋速调管输入腔的数值模拟与分析
• 5.2.2 回旋速调管预群聚腔的数值模拟与分析
• 5.2.3 回旋速调管群聚腔的数值模拟与分析
• 5.2.4 回旋速调管输出腔的数值模拟与分析
• 5.3 回旋速调管的数值模拟与分析
• 5.3.1 回旋速调管漂移段长度对性能的影响
• 5.3.2 漂移段长度的工程误差对回旋速调管性能的影响
• 5.3.3 工作参数对回旋速调管性能的影响
• 5.3.4 电子注速度零散对回旋速调管性能的影响
• 5.4 回旋速调管注波互作用瞬态研究
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• ACKNOWLEDGEMENTS
• 参考文献
• 攻博期间取得的成果