变周期慢波系统的研究

论文摘要

慢波系统是行波管的重要组成部分之一。由于行波管的工作依赖于电子注与线路行波场之间的相互作用而完成，所以沿轴向传输的行波场应与电子注有近乎相同的速度，而且该速度应该远比光速小。产生这些沿轴向传输的且相速远比光速小的行波场的电路称为慢波系统(或慢波电路)，若这些慢波系统的结构具有周期性，则称为周期慢波系统。但是，由于在慢波系统中电子注与线路行波场之间的能量交换属于动能与电磁场能的交换，所以，当电子注将其相当一部分动能交给行波场后，电子注的平均速度将会变慢，而当电子注的平均速度变慢到与电磁波的相速相等，甚至小于电磁波的相速时，则电子注与该电磁波就不能再继续维持同步状态，也就使得电子注与行波场不能再继续进行有效的正向能量转换，甚至会发生反向能量转换，即电子注又从行波场吸取能量。所以，慢波系统中的电子注与电磁波的同步问题是限制行波管的效率的根本原因之一。由对这一物理机理的分析可以想到，如果能设法保持电子注与电磁波在整个互作用过程中一直同步，那么，行波管的效率必然能得到显著改善。而从上面的分析可以发现，要保持电子注与电磁波在整个互作用过程中一直同步不外乎两种方法：一种方法是使慢波系统中的电磁波的相速随着轴向传播距离的增加而逐渐减小；另一种方法则是设法使电子注在慢波系统中行进一段距离后，其动能可以得到附加场的补充，从而使得其平均速度增大，恢复与电磁波的同步。前一种方法称为相速渐变；后一种方法则称为电压跳变。本论文所采用的变周期的方法正是相速渐变的一种。本论文以折叠波导慢波系统为具体研究对象，研究内容包括变周期折叠波导内的空间谐波的分析，三段周期跳变折叠波导和变周期折叠波导选择空间谐波的分析，不均匀折叠波导的同步问题的研究，变周期折叠波导的同步问题的研究，再通过电磁仿真软件和粒子模拟软件验证所得出的结论。本文的组织结构为：第一章为绪论，介绍了研究的背景，微波真空电子器件的发展趋势，相位聚焦的概念等，并阐明了论文的研究意义和范围。第二章分析了三段周期跳变折叠波导和变周期折叠波导的空间谐波的选择性，并分别推导了能够实现选择空间谐波的三段周期跳变折叠波导和变周期折叠波导应该满足的条件。第三章提出了不均匀折叠波导内若存在一次空间谐波能够与电子注在整个互作用过程中一直同步，那么它应该满足的条件，并分析了其结构尺寸的变化对耦合阻抗的影响，然后利用电磁仿真软件HFSS的模拟结果验证了该条件，最后利用粒子模拟软件MAGIC研究了这种结构对输出功率和互作用效率的影响。第四章分析了变周期慢波系统的空间谐波的情况，讨论了利用变周期慢波结构来保持电子注与电磁波在整个互作用过程中一直同步的问题，并探讨了其物理意义。第五章分析了变周期折叠波导内的空间谐波，并推导了若能使变周期折叠波导内有一次空间谐波在整个互作用过程中与电子注一直同步，那么该结构应该满足的条件，并通过电磁仿真软件HFSS验证了所得出的条件，最后利用粒子模拟软件MAGIC分析了各种变周期折叠波导的输出功率与互作用效率的提高情况。第六章是总结。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景介绍
• 1.1.1 行波管的发展历史
• 1.1.2 微波真空电子器件
• 1.2 微波真空电子器件的发展趋势
• 1.2.1 传统微波真空电子器件的性能改进
• 1.2.2 太赫兹技术
• 1.2.3 高功率微波源
• 1.2.4 微型真空电子器件
• 1.3 行波管慢波系统
• 1.4 相位聚焦
• 1.4.1 电压跳变技术
• 1.4.2 相速渐变技术
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 变周期折叠波导的空间谐波选择性
• 2.1 变周期慢波系统空间谐波选择性的介绍
• 2.1.1 变周期慢波系统的模式选择
• 2.1.2 变周期波导的滤波特性
• 2.2 三段周期跳变折叠波导选择空间谐波的条件的分析
• 2.2.1 理论分析
• 2.2.2 数值计算
• 2.3 变周期折叠波导选择空间谐波的条件的分析
• 2.3.1 理论分析
• 2.3.2 数值计算
• 2.4 总结
• 第三章 不均匀折叠波导慢波系统的研究
• 3.1 等周期折叠波导的理论分析
• 3.1.1 不考虑波导弯处的反射和电子注通道的影响
• 3.1.2 考虑波导弯处的反射和电子注通道的影响
• 3.2 不均匀折叠波导的理论研究和软件模拟
• 3.2.1 不均匀折叠波导的提出
• 3.2.2 不均匀折叠波导的一直同步条件的模拟研究
• 3.2.3 不均匀折叠波导对互作用效率的提高
• 3.3 结论
• 第四章 利用变周期慢波系统保持一直同步的研究
• 4.1 周期慢波结构的空间谐波
• 4.1.1 弗洛奎定理
• 4.1.2 空间谐波
• 4.2 数学中的傅里叶变换
• 4.3 变周期慢波系统内同步问题的研究
• 4.3.1 变周期慢波系统中的空间谐波
• 4.3.2 利用变周期保持注-波一直同步的条件
• 4.3.3 利用变周期保持注-波一直同步的物理意义
• 4.4 结论
• 第五章 变周期折叠波导慢波系统的研究
• 5.1 变周期折叠波导的一直同步条件
• 5.2 变周期折叠波导内的空间谐波的研究
• 5.3 变周期折叠波导的一直同步条件的模拟研究
• 5.3.1 变周期折叠波导一直同步条件一的模拟研究
• 5.3.2 变周期折叠波导一直同步条件二的模拟研究
• 5.3.3 一种特殊的变周期折叠波导的一直同步条件的模拟研究
• 5.4 利用变周期折叠波导提高互作用效率的研究
• 5.4.1 不带衰减器的变周期折叠波导的效率提高情况
• 5.4.2 带衰减器的变周期折叠波导的效率提高情况
• 5.5 结论
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果