行波管注波互作用基礎(chǔ)理論與CAD技術(shù)研究.pdf

1、行波管具有工作頻帶寬、輸出功率大、效率高、動(dòng)態(tài)范圍大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最多的微波電真空器件。而行波管注波互作用過(guò)程是行波管工作性能的一個(gè)關(guān)鍵部分和核心基礎(chǔ)，深入研究行波管注波互作用過(guò)程的基礎(chǔ)理論和CAD技術(shù)，對(duì)快速實(shí)現(xiàn)行波管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高輸出功率，拓展工作帶寬，改善穩(wěn)定性等一系列性能具有重要的意義。
　　本論文圍繞行波管注波互作用過(guò)程的基礎(chǔ)理論和CAD技術(shù)展開研究工作，工作主要內(nèi)容及創(chuàng)新包括以下幾個(gè)方面

2、：
　　1、針對(duì)周期慢波結(jié)構(gòu)得到基本的場(chǎng)分布形式。同時(shí)以螺旋線慢波結(jié)構(gòu)為例，在數(shù)值上驗(yàn)證了實(shí)際的螺旋線內(nèi)的場(chǎng)在徑向嚴(yán)格隨貝塞爾函數(shù)變化而變化，因此利用三維數(shù)值軟件計(jì)算出色散和耦合阻抗，可以準(zhǔn)確再現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)中螺旋線內(nèi)的冷腔場(chǎng)。同時(shí)還推導(dǎo)了行波管中電子注對(duì)的各次空間諧波的場(chǎng)激勵(lì)方程，這是注波互作用的理論基礎(chǔ)和核心內(nèi)容。各次空間諧波的場(chǎng)激勵(lì)表現(xiàn)為高頻電流與場(chǎng)分布的共軛在周期時(shí)間和周期結(jié)構(gòu)的平均。最后進(jìn)一步推導(dǎo)了任意周期慢波結(jié)構(gòu)中，前向波

3、的場(chǎng)激勵(lì)方程和反射波的場(chǎng)激勵(lì)方程，為建立普適的周期慢波結(jié)構(gòu)注波互作用理論奠定基礎(chǔ)。
　　2、發(fā)展了多種模型的基于場(chǎng)論的注波互作用理論，包括計(jì)算前向波放大的一維、三維注波互作用多信號(hào)非線性理論，計(jì)算返波振蕩的非線性理論和反射振蕩的非線性理論。幾種理論都包括場(chǎng)的激勵(lì)方程，運(yùn)動(dòng)方程和空間電荷場(chǎng)計(jì)算三個(gè)部分并進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證。三維前向波注波互作用理論重點(diǎn)推導(dǎo)了有限大小粒子的空間電荷場(chǎng)模型，驗(yàn)證的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試比較接近。同時(shí)也建立了返波振

4、蕩非線性理論，可以考慮周期磁場(chǎng)對(duì)返波振蕩的影響，給出非線性狀態(tài)下計(jì)算返波振蕩的方式。最后推導(dǎo)了切斷及輸入輸出邊界匹配的模型，建立了反射振蕩非線性理論，可以用來(lái)準(zhǔn)確分析行波管內(nèi)各類因素對(duì)反射振蕩的影響。
　　3、提出粒子相位諧波的思想，將任意時(shí)刻的粒子相位分布用初始相位（均勻分布）展開，從而建立起歐拉體系的注波互作用理論。若粒子相位分布只取直流分量和一次諧波分量，退化出基于場(chǎng)論的線性歐拉注波互作用理論。其中相位的直流分量表征了電子失

5、去的能量的累積，而一次諧波分量可以建立起小信號(hào)理論的特征方程。利用該線性理論對(duì)設(shè)計(jì)行波管的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)：場(chǎng)相對(duì)相位角（場(chǎng)幅角與場(chǎng)增加量幅角之差）進(jìn)行理論分析，證明其在增幅波建立起來(lái)后的線性互作用區(qū)基本是不變的。該理論為優(yōu)化設(shè)計(jì)行波管提供了理論基礎(chǔ)。
　　4、從電流源出發(fā)，通過(guò)對(duì)電流源展開，得到諧波展開法求空間電荷場(chǎng)的理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)了一維、二維空間電荷波理論，由于這種諧波展開法計(jì)算復(fù)雜度是O(N)，在計(jì)算速度上有一定的優(yōu)勢(shì)。

6、　　5、研究了行波管中均勻聚焦磁場(chǎng)和周期永磁(PPM)聚焦磁場(chǎng)對(duì)電子軌跡波動(dòng)的影響。得到兩種磁場(chǎng)作用下軌跡波動(dòng)的幅值與軌跡波動(dòng)周期的定量關(guān)系。用注波互作用模塊進(jìn)行了靜態(tài)軌跡計(jì)算，驗(yàn)證了理論上的推導(dǎo)。
　　6、介紹了以作者為主要開發(fā)者開發(fā)的注波互作用CAD軟件：注波互作用模擬器（BWIS），將第三章的非線性理論訴諸實(shí)現(xiàn)，軟件具有準(zhǔn)確快速、易用性、可視化和操作便捷等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確的獲得行波管設(shè)計(jì)方案。
　　7、給出了行