回旋管關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、雖然現(xiàn)在廣泛使用固態(tài)半導(dǎo)體器件，但是電真空器件以其在微波、毫米波波段高功率、高頻率等特點(diǎn)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域起著不可替代的作用?；匦茏鳛殡娬婵掌骷易逯幸活愔匾奈⒉ê撩撞ㄔ?，用于可控核聚變反應(yīng)的電子回旋諧振加熱(ECRH)、雷達(dá)、工業(yè)燒制等方面，具有廣闊的軍事及民用前景，其研制受到各國(guó)的重視。 第一部分，根據(jù)電子回旋脈塞的動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)回旋振蕩管進(jìn)行了分析。利用回旋振蕩管的線性理論及等價(jià)表面阻抗法，研究了高頻率高功率同軸內(nèi)開槽回

2、旋振蕩管的高頻結(jié)構(gòu)；研究了同軸內(nèi)開槽高頻結(jié)構(gòu)的模式選擇特性及對(duì)模式壁損耗的抑制作用，為170GHz同軸內(nèi)開槽回旋管高頻結(jié)構(gòu)的研制提供了理論和模擬基礎(chǔ)。 建立170GHz同軸回旋管的三維PIC模擬模型，通過(guò)模擬研究了電子注電流、電子注橫縱速度比和縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)輸出功率、效率、模式純度的影響。優(yōu)化后得到了穩(wěn)定單模兆瓦級(jí)功率輸出。 第二部分，研究了TE0n-TE0(n+1)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器和TEml-TEll波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器

3、兩類高功率模式轉(zhuǎn)換器。利用耦合波理論，建立了這兩類模式轉(zhuǎn)換器數(shù)值分析的模型，編寫了效率及帶寬計(jì)算程序；針對(duì)第一種模式轉(zhuǎn)換器，還嘗試采用了一種新型非均勻半徑漸變結(jié)構(gòu)。 通過(guò)理論分析，數(shù)值計(jì)算和仿真模擬得出如下結(jié)果：(1)兩類TE0n-TE0(n+1)模式轉(zhuǎn)換器都能有效地進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，其中非均勻半徑漸變模式轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換效率高(99.5％)，帶寬超過(guò)1.5GHz。(2)采用波導(dǎo)軸線蛇形線微擾結(jié)構(gòu)TE01-TEl1模式轉(zhuǎn)換器，模擬轉(zhuǎn)換

4、效率達(dá)到了98％以上，帶寬超過(guò)2G。 第三部分，電子槍提供電子注的性能直接影響到諧振腔中注波互作用的效果。結(jié)合本教研室的科研項(xiàng)目，本文研究設(shè)計(jì)了雙陽(yáng)極磁控注入槍和大回旋電子槍，對(duì)電子槍的工作原理作了詳盡的理論分析；結(jié)合PIC模擬結(jié)果，討論了一系列設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)電子槍主要性能，如電子注橫縱速度比、電子注速度零散所造成的影響，對(duì)陽(yáng)極電壓、磁場(chǎng)分布、槍體結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，PIC模擬結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的兩類電子槍均取得了優(yōu)良的電子注參數(shù)

5、。 特別的是，針對(duì)回旋放大器傳統(tǒng)的橫向信號(hào)輸入方式，本文獨(dú)創(chuàng)性地提出了采用電子槍陰極同軸信號(hào)輸入，陽(yáng)極后過(guò)渡段進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸入方式并對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的理論和模擬驗(yàn)證。其間，首先對(duì)TE0n-TE0(n+1)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器和TEml-TE11波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器兩類模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出符合要求的模式轉(zhuǎn)換器并與本文所設(shè)計(jì)的兩類電子槍相結(jié)合。模擬結(jié)果表明這種同軸信號(hào)輸入的新型電子槍具有其科學(xué)性和實(shí)用性，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。 本

6、文在大量閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及本教研室的科研成果的基礎(chǔ)上，在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下，對(duì)同軸內(nèi)開槽高頻結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器及大小回旋電子槍的設(shè)計(jì)做了一些有意義的工作并提出了一些新的思路和方法，具體如下： 1．研究了同軸內(nèi)開槽結(jié)構(gòu)諧振腔，詳盡地分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振腔性能的影響，如內(nèi)外半徑的比值對(duì)模式選擇特性的影響，開槽尺寸對(duì)減少模式功率損耗的影響等；針對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行PIC模擬，對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作及工程實(shí)現(xiàn)具有重要的指導(dǎo)意義。 2．利用

7、耦合波理論，研究了TE0n-TE0(n+1)波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器和TEml-TE11波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器兩類高功率模式轉(zhuǎn)換器。建立了這兩類模式轉(zhuǎn)換器數(shù)值分析的模型，編寫了用于效率及帶寬計(jì)算的程序；針對(duì)第一種模式準(zhǔn)換器，采用了一種新型非均勻半徑漸變結(jié)構(gòu)，數(shù)值分析和軟件模擬結(jié)果顯示，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率和帶寬大大優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以上的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器在微波毫米波工程中具有很大的實(shí)用價(jià)值。 3．深入研究了雙陽(yáng)極磁控注入槍及大回旋半徑電子槍，建立了三維的