本文關(guān)鍵詞：170GHz同軸回旋振蕩管高頻結(jié)構(gòu)研究

  更多相關(guān)文章： 回旋管 同軸諧振腔 注-波互作用 非線性自洽理論 內(nèi)導(dǎo)體偏心

【摘要】：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(gè)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(yùn)動(dòng)電子注附近,所以能減少電壓下降和限制電流的限制。因此,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(xiàng)”XXX研究項(xiàng)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(yàn)證結(jié)論和所編程序的正確性,另外選取了170 GHz、TE0,1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(shí)也驗(yàn)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(jì)算效率高、核心代碼部分完全矢量化的計(jì)算程序,仿真模擬了170 GHz、TE31,12模兆瓦級光滑同軸回旋振蕩管注-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(shí)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(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)算效率高,核心代碼部分完全矢量化的程序,對所研究設(shè)計(jì)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(jì)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自洽方程,詳細(xì)地研究了內(nèi)導(dǎo)體偏心對特征根、品質(zhì)因數(shù)Q值、注-波互作用效率及諧振頻率的影響。所得結(jié)論為工程應(yīng)用研究提供了參考。
【關(guān)鍵詞】：回旋管 同軸諧振腔 注-波互作用 非線性自洽理論 內(nèi)導(dǎo)體偏心
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN12
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 緒論12-27
• 1.1 研究工作的背景與意義12-13
• 1.1.1 微波的應(yīng)用12
• 1.1.2 ITER計(jì)劃所用回旋振蕩管12-13
• 1.2 回旋振蕩管的國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀13-23
• 1.2.1 電子回旋脈塞和回旋振蕩管13-19
• 1.2.2 同軸回旋振蕩管19-22
• 1.2.3 國內(nèi)回旋管發(fā)展現(xiàn)狀22-23
• 1.3 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新23-25
• 1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排25-27
• 第二章 170GHz緩變截面開放式諧振腔的研究27-36
• 2.1 數(shù)值計(jì)算方法27-30
• 2.2 模式選擇30-31
• 2.3 模擬計(jì)算結(jié)果31-33
• 2.4 HFSS仿真和編程計(jì)算結(jié)果比較33-35
• 2.5 本章小結(jié)35-36
• 第三章 170GHz光滑同軸回旋振蕩管非線性自洽理論36-62
• 3.1 光滑同軸回旋振蕩管非線性自洽場理論37-47
• 3.1.1 電子運(yùn)動(dòng)方程37-41
• 3.1.2 高頻場軸向分量方程41-43
• 3.1.3 同軸回旋振蕩管自洽場方程43-47
• 3.2 起振電流和注-波耦合系數(shù)47-48
• 3.3 軸向波數(shù)的修正48-49
• 3.4 電子注速度零散對效率的影響49-50
• 3.5 170GHz兆瓦級光滑同軸回旋管的數(shù)值計(jì)算50-60
• 3.5.1 耦合系數(shù)和起振電流的計(jì)算50-53
• 3.5.2 非線性自洽模擬計(jì)算53-60
• 3.6 本章小結(jié)60-62
• 第四章 內(nèi)導(dǎo)體偏心光滑同軸回旋管非線性自洽理論62-75
• 4.1 非線性自洽方程62-68
• 4.1.1 內(nèi)導(dǎo)體偏心光滑同軸回旋管色散方程62-65
• 4.1.2 內(nèi)導(dǎo)體偏心同軸回旋管非線性自洽理論65-67
• 4.1.3 縱向波數(shù)的修正67
• 4.1.4 速度零散的影響67-68
• 4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果68-74
• 4.3 本章小結(jié)74-75
• 第五章 170GHz內(nèi)開槽同軸回旋振蕩管非線性自洽理論75-105
• 5.1 內(nèi)開槽同軸回旋管非線性自洽場理論76-85
• 5.1.1 電子運(yùn)動(dòng)方程76-79
• 5.1.2 電場軸向分量方程79-81
• 5.1.3 內(nèi)開槽同軸回旋振蕩管自洽場方程81-85
• 5.2 起振電流和注-波耦合系數(shù)85-87
• 5.3 軸向波數(shù)的修正87
• 5.4 電子注速度零散和引導(dǎo)中心零散的影響87-88
• 5.5 170GHz兆瓦級內(nèi)開槽同軸回旋管的數(shù)值計(jì)算88-102
• 5.5.1 耦合系數(shù)和起振電流的計(jì)算88-91
• 5.5.2 非線性自洽模擬計(jì)算91-102
• 5.6 歐姆損耗102-104
• 5.7 本章小結(jié)104-105
• 第六章 內(nèi)導(dǎo)體偏心同軸回旋振蕩管非線性自洽理論105-118
• 6.1 非線性自洽理論105-111
• 6.1.1 內(nèi)導(dǎo)體偏心內(nèi)開槽同軸回旋管色散方程105-107
• 6.1.2 內(nèi)導(dǎo)體偏心同軸回旋管非線性自洽方程107-110
• 6.1.3 縱向波數(shù)和電子速度的修正110-111
• 6.2 數(shù)值計(jì)算和結(jié)果111-117
• 6.3 本章小結(jié)117-118
• 第七章 全文總結(jié)與展望118-120
• 7.1 全文總結(jié)118-119
• 7.2 后續(xù)工作展望119-120
• 致謝120-121
• 參考文獻(xiàn)121-130
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果130-131

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