微波管离子噪声的研究

论文摘要

由于微波管中总会存在残余气体，它与电子束发生碰撞并发生电离是不可避免的。在长脉冲或者连续波的工作状态下，电离出的正离子与管子中的静电势阱相互作用会引起离子噪声，通常表现为输出信号相位与幅度的缓慢波动。这种低频的离子噪声特别是相位噪声，会严重影响雷达系统的分辨能力和通讯系统的编码位错率。本文采用理论分析与计算机模拟的方法，深入研究了离子噪声的产生机理、特性及抑制方法，论文的主要内容与创新点如下： 1．研究了微波管内离子的产生、运动、积累与平衡及其对电子束的影响，这对解释离子噪声的形成机理有重要意义。 2．采用一维混合模型，将电子束用包络方程描述，正离子用离散的一维宏粒子代替，采用粒子模拟方法研究了行波管与速调管的离子噪声问题，得到了离子噪声的图像，研究了电子束电流、电压、聚焦磁场以及残余背景气体对离子噪声的影响。 3．研究了离子张驰振荡序列的特性，通过分析其重构相图、功率谱与最大lyapunov指数，得出离子噪声具有混沌性质这一重要结论。并将其原因归结为离子噪声产生系统的开放性。 4．通过小信号近似，采用波动理论与运动学理论，严格地给出了行波管低频离子噪声被调制到载波上的机理。并对离子噪声形成的相位噪声特性进行分析，得到了相位噪声表达式，揭示出影响相位噪声的因素。 5．采用二维粒子模拟软件进一步研究离子噪声，通过对实际微波管的合理简化，建立了一个可计算模型，对离子噪声做了二维分析，得到了离子噪声与真空度、管子长度、聚焦磁场间的关系，并指出了抑制与消除离子噪声的关键所在。 6．通过对管内离子运动状态的深入分析，揭示出离子径向逸出的原理，指出菲尔德离子积累理论的局限性，这对深入理解离子噪声的产生原理有重要意义。 7．采用粒子模拟的方法，并考虑电子束与电磁波的互作用，首次直接得到了速调管输出信号中的离子噪声图像，阐述了束电子、二次电子、离子、

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 微波管简介
• 1.2 离子噪声的概念
• 1.3 离子噪声的研究
• 1.3.1 早期研究
• 1.3.2 近期研究
• 1.4 需要解决的问题
• 1.5 离子噪声的消除方法
• 1.6 本论文的主要工作与创新
• 1.7 学位论文的组织
• 第二章 微波管中的离子
• 2.1 微波管内离子的产生
• 2.2 离子在微波管中的运动
• 2.2.1 微波管内的电场与磁场
• 2.2.2 离子在管内的运动
• 2.3 离子的积累与平衡
• 2.4 离子对电子束的影响
• 2.4.1 离子周期性分布于每个束腰处
• 2.4.2 离子均匀分布于电子束中
• 2.5 小结
• 第三章 离子噪声的一维混合模型分析
• 3.1 理论与模拟模型
• 3.2 模拟算法
• 3.2.1 粒子模拟的过程
• 3.2.2 一维模型的离散化算法
• 3.2.3 CIC算法
• 3.2.4 相位信息
• 3.3 数值实验与结果分析
• 3.3.1 速调管的离子噪声模拟
• 3.3.2 电子束电流电压与聚焦磁场的波动对离子噪声的影响
• 3.3.3 周期永磁聚焦行波管离子噪声模拟
• 3.4 离子噪声中的混沌现象
• 3.5 离子噪声的调制特性
• 3.6 小结
• 第四章 离子噪声的二维模拟
• 4.1 二维粒子模拟及其算法
• 4.1.1 粒子运动方程
• 4.1.2 电磁场方程
• 4.1.3 电荷与电流的权重网格分配
• 4.1.4 粒子的蒙特卡罗碰撞模拟
• 4.2 离子噪声的二维模拟模型
• 4.2.1 计算模型的建立
• 4.2.2 模型正确性的验证
• 4.3 离子噪声的二维模拟
• 4.3.1 离子噪声的模拟
• 4.3.2 背景气体压强对离子噪声的影响
• 4.3.3 磁场对离子噪声的影响
• 4.3.4 二维模拟的结论
• 4.4 离子轰击管壁的问题
• 4.5 二维模拟与一维模拟的关系
• 4.5.1 二维模拟的一维理论分析与解释
• 4.5.2 二维模拟与一维模拟的差别
• 4.6 小结
• 第五章 考虑注波互作用的离子噪声二维模拟
• 5.1 模拟模型
• 5.2 模拟结果
• 5.2.1 管内粒子数量的变化
• 5.2.2 管内粒子的平均动能变化
• 5.2.3 输出信号
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 相位分析
• 5.3.2 离子数量的波动与电子束的关系
• 5.3.4 二次电子的行为
• 5.3.5 幅度分析
• 5.4 小结
• 第六章 离子噪声的测量及抑制方案
• 6.1 离子噪声的静态测量
• 6.1.1 测量装置
• 6.1.2 离子聚焦效应测量
• 6.1.3 电子束速度测量
• 6.2 离子噪声的动态测量
• 6.3 离子噪声的抑制与消除
• 6.4 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 作者攻读博士期间发表的学术成果