同軸波導(dǎo)回旋自諧振脈塞放大器的線性與非線性研究.pdf

1、回旋自諧振脈塞放大器(CyclotronAutoresonanceMaserAmplifier，簡稱CARMamplifier)，作為一種高功率、高增益的毫米波亞毫米波波源，在等離子體加熱、通訊、空間探測等方面有著巨大的應(yīng)用前景。 器件在產(chǎn)生高功率微波的過程中，短波長的電磁波會在器壁上產(chǎn)生大量歐姆熱，影響器件的穩(wěn)定運行，嚴重時可能導(dǎo)致器件不能正常工作。因此，器件的散熱性能成為高功率微波源的關(guān)鍵技術(shù)之一。解決這一問題的一種有效辦法

2、是采用大尺寸的腔體。因為大尺寸的腔體可以有效地增大散熱面積，便于熱量散發(fā)，同時，大尺寸腔體也便于加工。然而，在大尺寸的腔體中工作模式多為高階模，模式譜變得密集，容易造成模式之間的競爭，使器件工作不穩(wěn)定。在回旋管振蕩器中已證實，采用同軸腔能有效地稀化模式譜，而且還發(fā)現(xiàn)，開槽型同軸結(jié)構(gòu)有利于減弱模式競爭、增強束波互作用。結(jié)合同軸腔、開槽型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特點以及CARM放大器高功率、高增益的優(yōu)點，張世昌教授針對目前的研究現(xiàn)狀，近期在提出光滑同軸腔

3、CARM放大器的基礎(chǔ)上，又提出另一種新型器件——開槽型同軸波導(dǎo)CARM放大器的設(shè)想。此類器件可望在確保高功率：高增益的前提下，有效地稀化模式譜，抑制模式競爭，使模式穩(wěn)定工作。 根據(jù)波導(dǎo)截面的形狀，同軸波導(dǎo)大致可以分為光滑同軸波導(dǎo)、內(nèi)開槽同軸波導(dǎo)、外開槽同軸波導(dǎo)和內(nèi)外開槽同軸波導(dǎo)四大類。在本論文中就這四種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)類型的CARM放大器，展開全面、系統(tǒng)地線性和非線性理論研究。 首先，本論文在第一章闡述電子回旋脈塞機理以及CAR

4、M放大器的工作機理和可實現(xiàn)性，并介紹了現(xiàn)在國內(nèi)外的研究狀況和本論文的意義、內(nèi)容和創(chuàng)新點； 第二章闡述光滑同軸波導(dǎo)CARM放大器的線性理論和非線性理論，用數(shù)值模擬方法分析和優(yōu)化器件的性能，以及電子束軸向速度離散、電子束偏心和采用坡度磁場對器件輸出功率的影響； 在第三章中，考慮開槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對波導(dǎo)中場分布的影響，利用阻抗匹配方法，確定出內(nèi)開槽同軸波導(dǎo)的特征方程；從線性理論和非線性理論兩方面，闡述其CARM放大器的作用機理。通過

5、數(shù)值模擬，分析此類器件的工作性能，以及電子束軸向速度離散、電子束偏心對器件輸出功率及輸出效率的影響，和采用坡度磁場的手段實現(xiàn)器件功率的提高； 第四章闡述外開槽同軸波導(dǎo)CARM放大器的線性理論和非線性理論，用示例對此類器件進行模擬分析。模擬內(nèi)容包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、導(dǎo)引磁場優(yōu)化和工作頻率的優(yōu)化，和電子束軸向速度離散、電子束偏心、坡度磁場對器件性能的影響： 第五章研究了內(nèi)外開槽同軸波導(dǎo)CARM放大器的線性和非線性特性，用數(shù)值模擬

6、方法分析和優(yōu)化器件的性能以及電子束軸向速度離散、電子束偏心和坡度磁場對器件的影響。 本博士論文中主要創(chuàng)新點： 1.首次在極坐標下用低階模形式近似描述開槽型波導(dǎo)中開槽區(qū)場分布的函數(shù)表達式；將阻抗匹配法首次應(yīng)用到內(nèi)開槽同軸波導(dǎo)、外開槽同軸波導(dǎo)和內(nèi)外開槽同軸波導(dǎo)中確定出相應(yīng)波導(dǎo)的特征方程及本征值；模式譜分析表明在波導(dǎo)中插入內(nèi)同軸(包括光滑同軸和開槽內(nèi)同軸)能有效地稀化模式譜，而且插入開槽內(nèi)同軸比插入光滑內(nèi)同軸能更有效地稀化模式

7、譜； 2.對耦合系數(shù)K進行修正，首次得到同軸波導(dǎo)CARM放大器的通用色散方程，此色散方程不僅適用于光滑同軸波導(dǎo)CARM放大器，而且還適用于開槽型同軸波導(dǎo)CARM放大器：首次將修正后的耦合系數(shù)K應(yīng)用到同軸波導(dǎo)CARM放大器的非線性理論中，得到同軸波導(dǎo)CARM放大器的通用束波耦合方程； 3.首次研究了電子束軸向速度離散對同軸波導(dǎo)CARM放大器輸出功率的影響，模擬結(jié)果表明輕微的電子束軸向速度離散也會大大降低放大器的輸出功率，破

8、壞器件性能； 4.首次研究了在同軸波導(dǎo)CARM放大器中電子束中心相對于波導(dǎo)中心發(fā)生偏心對器件輸出功率的影響，從模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)電子束與波導(dǎo)中心偏離距離越大，器件的輸出功率越小，甚至幾乎接近于零；而且，內(nèi)開槽同軸波導(dǎo)CARM放大器和內(nèi)外開槽同軸波導(dǎo)CARM放大器(其內(nèi)同軸均為開槽型)比光滑同軸波導(dǎo)CARM放大器和外開槽同軸波導(dǎo)CARM放大器(其內(nèi)同軸均為光滑圓柱)對電子束偏心要求更高； 5．首次發(fā)現(xiàn)在同軸波導(dǎo)CARM放大器中