同轴波导回旋自谐振脉塞放大器的线性与非线性研究

论文摘要

回旋自谐振脉塞放大器(Cyclotron Autoresonance Maser Amplifier，简称CARM amplifier)，作为一种高功率、高增益的毫米波亚毫米波波源，在等离子体加热、通讯、空间探测等方面有着巨大的应用前景。 器件在产生高功率微波的过程中，短波长的电磁波会在器壁上产生大量欧姆热，影响器件的稳定运行，严重时可能导致器件不能正常工作。因此，器件的散热性能成为高功率微波源的关键技术之一。解决这一问题的一种有效办法是采用大尺寸的腔体。因为大尺寸的腔体可以有效地增大散热面积，便于热量散发，同时，大尺寸腔体也便于加工。然而，在大尺寸的腔体中工作模式多为高阶模，模式谱变得密集，容易造成模式之间的竞争，使器件工作不稳定。在回旋管振荡器中已证实，采用同轴腔能有效地稀化模式谱，而且还发现，开槽型同轴结构有利于减弱模式竞争、增强束波互作用。结合同轴腔、开槽型波导结构的特点以及CARM放大器高功率、高增益的优点，张世昌教授针对目前的研究现状，近期在提出光滑同轴腔CARM放大器的基础上，又提出另一种新型器件——开槽型同轴波导CARM放大器的设想。此类器件可望在确保高功率、高增益的前提下，有效地稀化模式谱，抑制模式竞争，使模式稳定工作。 根据波导截面的形状，同轴波导大致可以分为光滑同轴波导、内开槽同轴波导、外开槽同轴波导和内外开槽同轴波导四大类。在本论文中就这四种波导结构类型的CARM放大器，展开全面、系统地线性和非线性理论研究。 首先，本论文在第一章阐述电子回旋脉塞机理以及CARM放大器的工作机理和可实现性，并介绍了现在国内外的研究状况和本论文的意义、内容和创新点； 第二章阐述光滑同轴波导CARM放大器的线性理论和非线性理论，用数值模拟方法分析和优化器件的性能，以及电子束轴向速度离散、电子束偏心和采用坡度磁场对器件输出功率的影响； 在第三章中，考虑开槽波导结构对波导中场分布的影响，利用阻抗匹配方

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究状况
• 1.3 本文研究的意义、内容和创新点
• 第2章 光滑同轴波导CARM放大器的研究
• 2.1 引言
• 2.2 光滑同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析
• 2.3 光滑同轴波导CARM放大器线性理论
• 2.4 光滑同轴波导CARM放大器非线性理论
• 2.4.1 电子运动方程
• 2.4.2 具有电子束源的波动方程
• 2.4.3 束波能量交换
• 2.5 光滑同轴波导CARM放大器放大模拟
• 2.5.1 线性模拟分析
• 2.5.2 非线性模拟分析
• 2.5.3 电子轴向速度离散对器件的影响
• 2.5.4 电子束偏心对器件的影响
• 2.5.5 坡度磁场对器件的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 内开槽同轴波导CARM放大器的研究
• 3.1 引言
• 3.2 内开槽同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析
• 3.3 内开槽同轴波导CARM放大器线性理论
• 3.4 内开槽同轴波导CARM放大器非线性理论
• 3.4.1 电子运动方程
• 3.4.2 具有电子束源的波动方程
• 3.4.3 束波能量交换
• 3.5 内开槽同轴波导CARM放大器放大模拟
• 3.5.1 线性模拟分析
• 3.5.2 非线性模拟分析
• 3.5.3 电子轴向速度离散对器件的影响
• 3.5.4 电子束偏心对器件的影响
• 3.5.5 坡度磁场对器件的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 外开槽同轴波导CARM放大器的研究
• 4.1 引言
• 4.2 外开槽同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析
• 4.3 外开槽同轴波导CARM放大器线性理论
• 4.4 外开槽同轴波导CARM放大器非线性理论
• 4.4.1 电子运动方程
• 4.4.2 具有电子束源的波动方程
• 4.4.3 束波能量交换
• 4.5 外开槽同轴波导CARM放大器放大模拟
• 4.5.1 线性模拟分析
• 4.5.2 非线性模拟分析
• 4.5.3 电子轴向速度离散对器件的影响
• 4.5.4 电子束偏心对器件的影响
• 4.5.5 坡度磁场对器件的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 内外开槽同轴波导CARM放大器的研究
• 5.1 引言
• 5.2 内外开槽同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析
• 5.3 内外开槽同轴波导CARM放大器线性理论
• 5.4 内外开槽同轴波导CARM放大器非线性理论
• 5.4.1 电子运动方程
• 5.4.2 具有电子束源的波动方程
• 5.4.3 束波能量交换
• 5.5 内外开槽同轴波导CARM放大器放大模拟
• 5.5.1 线性模拟分析
• 5.5.2 非线性模拟分析
• 5.5.3 电子轴向速度离散对器件的影响
• 5.5.4 电子束偏心对器件的影响
• 5.5.5 坡度磁场对器件的影响
• 5.6 本章小结
• 结论与讨论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 色散方程化为关于ω四次方代数方程
• 附录2 电子运动状态受电磁场影响的公式
• 附录3 电磁场受电子激励得到放大的公式
• 附录4 非线性模拟中的一些处理方法
• 1. 电子初始分布
• 2. 归一化
• 3. 计算精度
• 附录5 本文中用到的高斯单位制下的电磁场公式和常量
• 攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的论文
• 图表总览