漸變同軸開(kāi)槽諧振腔高頻場(chǎng)研究.pdf

1、回旋振蕩管是一類高功率高頻率微波器件。由于在其發(fā)展過(guò)程中,表現(xiàn)出許多優(yōu)良的特性,受到人們的極大關(guān)注。它已應(yīng)用于國(guó)際間的能源合作項(xiàng)目中,如受控?zé)岷司圩冎械入x子體電子回旋共振加熱和等離子體的不穩(wěn)定性診斷與控制;軍事航天領(lǐng)域的微波通訊以及工業(yè)領(lǐng)域的材料處理和太赫茲技術(shù)科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的生物醫(yī)學(xué)。并不斷向更高功率和更高頻率范圍內(nèi)發(fā)展。這要求回旋管的工作模式由低階向高階的模式轉(zhuǎn)變。從而引起回旋管的模式密度的增加,進(jìn)而導(dǎo)致回旋管的模式競(jìng)爭(zhēng)加劇和歐姆損耗

2、增加。為了解決這些問(wèn)題,人們?cè)趫A柱腔回旋管的基礎(chǔ)上,已研制出同軸回旋管。其中具有代表性的是170GHz、1MW同軸回旋管分別由德國(guó)和俄羅斯研制成功。為了進(jìn)一步提高其性能,人們提出了漸變同軸內(nèi)開(kāi)槽回旋管,并且對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。在此基礎(chǔ)上,本論學(xué)位論文對(duì)漸變同軸內(nèi)外開(kāi)槽回旋管進(jìn)行研究。
　　目前對(duì)同軸開(kāi)槽回旋管諧振腔特征方程的建立有兩種方法:嚴(yán)格的全波匹配法和表面阻抗法。由于根據(jù)表面阻抗法得到的特征方程形式比全波匹配法簡(jiǎn)單,因此本

3、文利用該方法得到了同軸內(nèi)外開(kāi)槽回旋管諧振腔的特征方程,并且研究了槽參數(shù)對(duì)特征值的影響;同時(shí)應(yīng)用等價(jià)波導(dǎo)理論研究了同軸開(kāi)槽回旋管諧振腔的模式選擇能力。
　　當(dāng)回旋管的工作頻率由低頻向高頻發(fā)展時(shí),回旋管壁的歐姆損耗不斷增加。在實(shí)際中必須將其限制在23~4KW/cm范圍內(nèi)。為此,我們研究了同軸開(kāi)槽回旋管諧振腔的歐姆品質(zhì)因數(shù)和歐姆損耗,得到它們與回旋管槽參數(shù)的關(guān)系式。根據(jù)這些關(guān)系,研究了槽參數(shù)對(duì)歐姆品質(zhì)因數(shù)和歐姆損耗的影響,發(fā)現(xiàn)了同軸開(kāi)槽

4、諧振腔的歐姆損耗主要集中在槽的底部;在漸變同軸回旋管諧振腔中,最大歐姆損出現(xiàn)在場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域;另外,也研究了諧振腔的特征值與歐姆損耗和歐姆品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系。
　　由于回旋管特征模式的計(jì)算是研究電子注與電磁場(chǎng)互作用的基礎(chǔ),因此,本學(xué)位論文根據(jù)無(wú)源麥克斯韋方程組的微分形式和傳輸線理論,得到了適合于漸變同軸內(nèi)外開(kāi)槽回旋管諧振腔的無(wú)源一階傳輸線方程。利用耦合波理論得到不同模式間的耦合系數(shù)。利用亥姆霍茲方程得到場(chǎng)的模式函數(shù)。并且借助數(shù)值計(jì)算,對(duì)

5、漸變同軸開(kāi)槽諧振腔的特征模式進(jìn)行研究,得到特征模式的頻率和繞射品質(zhì)因數(shù)。同時(shí)也研究了槽參數(shù)對(duì)特征頻率和繞射品質(zhì)因數(shù)的影響。
　　在特征模式計(jì)算的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了電子注與電磁場(chǎng)的互作用。為此,根據(jù)有源的麥克斯韋方程組和傳輸線理論,得到了漸變同軸內(nèi)外開(kāi)槽回旋管的有源一階傳輸線方程;從洛倫茲方程出發(fā),得到了電子的運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),導(dǎo)取了電子注與電磁場(chǎng)的耦合系數(shù)以及回旋管的起振電流公式。
　　在回旋管研究中,電子注與電磁場(chǎng)

6、互作用是最重要的研究?jī)?nèi)容。因此,我們結(jié)合有源一階傳輸線方程、電子的運(yùn)動(dòng)方程和邊界條件,編寫(xiě)了漸變同軸開(kāi)槽回旋管的注波互作用程序。利用該程序,對(duì)國(guó)際上研究的170GHz、2.2MW、34,19TE和165GHz、1.5MW、31,17TE的漸變同軸內(nèi)開(kāi)槽回旋管進(jìn)行注波互作用計(jì)算,得到其工作參數(shù)對(duì)注場(chǎng)互用作的影,其結(jié)果與文獻(xiàn)有較好的吻合。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一支170GHz、2MW、34,19TE漸變同軸內(nèi)外開(kāi)槽回旋管,并對(duì)它進(jìn)行注波互作用計(jì)