170 GHz同軸回旋振蕩管高頻結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、回旋振蕩管是回旋管家族中發(fā)展相對快速的管種，從第一支回旋振蕩管誕生到現(xiàn)在，經(jīng)過五十多年的發(fā)展，其頻率、功率和效率等性能都得到了巨大提升。傳統(tǒng)回旋振蕩管以空心圓柱體作為諧振腔，在向更高功率容量和更高頻率發(fā)展過程取得了很大進(jìn)步，但也遇到一些難題。首先，要提高回旋振蕩管的輸出功率，必須采取更高階工作模式以及增大諧振腔的半徑，而諧振腔半徑的增大使得諧振腔內(nèi)模式譜變得非常密集，模式競爭變得更激烈，降低了回旋管的工作穩(wěn)定性和效率。其次，隨著回旋管功

2、率的增加，諧振腔壁的歐姆熱損耗密度也增加?，F(xiàn)有的冷卻技術(shù)水平要求回旋管在長脈沖或連續(xù)波工作情況下，諧振腔壁的歐姆熱損耗密度必須小于4KW/cm2。這些限制嚴(yán)重阻礙了回旋管功率和頻率的提高。為了解決這些難題，有關(guān)學(xué)者提出了利用內(nèi)導(dǎo)體稀釋回旋管模式譜，減少模式競爭的同軸回旋振蕩管結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)回旋振蕩管相比，同軸回旋振蕩管增加了沿軸向逐漸變小的內(nèi)導(dǎo)體。為了提高回旋管的性能，有些同軸回旋振蕩管的內(nèi)導(dǎo)體表面還增加軸向開槽。由于結(jié)構(gòu)上的變化，同軸回

3、旋振蕩管顯示出了與傳統(tǒng)回旋振蕩管不同的一些優(yōu)越性。對于同軸回旋管，模式的特征根（對TEmn模，特征根為xmn；而TMmn模，則為vmn）已不再是常數(shù)，而是外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體半徑比C=R/Rin的函數(shù)。設(shè)置外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體半徑適當(dāng)?shù)膬A斜度，能改變各個模式的繞射品質(zhì)因數(shù)Qd，使工作模式的起振電流減少，競爭模式的起振電流增大（起振電流和Qd成反比），從而起到模式選擇的作用。此外，由于內(nèi)導(dǎo)體固定在運動電子注附近，所以能減少電壓下降和限制電流的限制。因

4、此，同軸回旋振蕩管的研究得到了世界各國眾多研究人員的重視。
　　本論文結(jié)合課題組“國家科技重大專項”XXX研究項目開展研究，首先研究改進(jìn)型170 GHz緩變截面開放式諧振腔高頻特性。從簡單有效的模式選擇方法入手，選擇TE31,12模為工作模，利用matlab軟件編制程序，深入研究了圓弧或橢圓弧連接段對改進(jìn)型170GHz、TE31,12模式緩變截面諧振腔繞射 Qd值的影響。為了驗證結(jié)論和所編程序的正確性，另外選取了170 GHz、T

5、E0,1模式同類型諧振腔，分別利用電磁仿真軟件HFSS和所編程序進(jìn)行仿真模擬，也得到同樣結(jié)論，證明了結(jié)論的正確性，同時也驗證了所編程序。
　　在改進(jìn)型緩變截面開放式諧振腔研究基礎(chǔ)上，論文詳細(xì)研究了170 GHz兆瓦級光滑同軸回旋振蕩管起振電流和耦合系數(shù)。在考慮速度零散和腔壁損耗以及單模近似的基礎(chǔ)上，根據(jù)非線性自洽理論，編制了計算效率高、核心代碼部分完全矢量化的計算程序，仿真模擬了170 GHz、TE31,12模兆瓦級光滑同軸回旋振

6、蕩管注-波互作用，進(jìn)一步研究了電子注速度零散、電阻率、橫縱速度比、磁場、電流、電壓、內(nèi)導(dǎo)體傾角等因素對互作用效率的影響。
　　由于受加工裝配精度所限，內(nèi)導(dǎo)體的微小偏心不可避免，而內(nèi)導(dǎo)體的微小偏心完全改變了電磁場的邊界條件，使得回旋管的整體性能都發(fā)生了改變，這是工程應(yīng)用中經(jīng)常遇到的現(xiàn)實問題。為此，論文推導(dǎo)建立了光滑同軸回旋管內(nèi)導(dǎo)體偏心非線性自洽方程，深入研究了內(nèi)導(dǎo)體偏心對光滑同軸回旋振蕩管特征根、品質(zhì)因數(shù)Q值、諧振頻率及互作用效率的

7、影響，為工程應(yīng)用研究提供了參考。
　　理論上，內(nèi)開槽同軸回旋管抑制模式競爭能力更強一些，工作穩(wěn)定性更好。因此，論文在研究光滑同軸回旋振蕩管的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了一支170 GHz、TE31,12模兆瓦級內(nèi)開槽同軸回旋振蕩管。利用 matlab軟件編制程序計算了內(nèi)開槽同軸回旋振蕩管起振電流和耦合系數(shù)，初步確定了回旋管的工作參數(shù)。.在考慮速度零散和腔壁損耗的基礎(chǔ)上,根據(jù)非線性自洽理論，編制了計算效率高，核心代碼部分完全矢量化的程序，對所

8、研究設(shè)計的170 GHz、工作模式為TE31，12的兆瓦級內(nèi)開槽同軸回旋振蕩管進(jìn)行了全面系統(tǒng)的模擬計算，進(jìn)而研究了電子注速度零散、電阻率、引導(dǎo)中心零散、橫縱速度比、磁場、電流、電壓等因素對互作用效率的影響以及內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)Q值、注-波互作用效率的影響。
　　內(nèi)開槽同軸回旋振蕩管結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，加工裝配難度更大。由于加工所帶來的誤差，內(nèi)導(dǎo)體偏心更不可避免。因此，論文推導(dǎo)建立了內(nèi)開槽同軸回旋管內(nèi)導(dǎo)體偏心色散方程和非線性