回旋管关键技术的研究

作     者：孙旭 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵青

授予年度：2008年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：同轴内开槽结构 回旋振荡管 PIC模拟 波导模式转换 速度比 

摘      要：虽然现在广泛使用固态半导体器件,但是电真空器件以其在微波、毫米波波段高功率、高频率等特点,在某些应用领域起着不可替代的作用。回旋管作为电真空器件家族中一类重要的微波毫米波源,用于可控核聚变反应的电子回旋谐振加热(ECRH)、雷达、工业烧制等方面,具有广阔的军事及民用前景,其研制受到各国的重视。 本文的工作主要为三部分: 第一部分,根据电子回旋脉塞的动力学理论,对回旋振荡管进行了分析。利用回旋振荡管的线性理论及等价表面阻抗法,研究了高频率高功率同轴内开槽回旋振荡管的高频结构;研究了同轴内开槽高频结构的模式选择特性及对模式壁损耗的抑制作用,为170GHz同轴内开槽回旋管高频结构的研制提供了理论和模拟基础。 建立170GHz同轴回旋管的三维PIC模拟模型,通过模拟研究了电子注电流、电子注横纵速度比和纵向磁场强度等参数对输出功率、效率、模式纯度的影响。优化后得到了稳定单模兆瓦级功率输出。 第二部分,研究了TE-TE0(n+1))波导模式转换器和TE-TE波导模式转换器两类高功率模式转换器。利用耦合波理论,建立了这两类模式转换器数值分析的模型,编写了效率及带宽计算程序;针对第一种模式转换器,还尝试采用了一种新型非均匀半径渐变结构。 通过理论分析,数值计算和仿真模拟得出如下结果:(1)两类TE-TE0(n+1))模式转换器都能有效地进行模式转换,其中非均匀半径渐变模式转换器具有转换效率高(99.5%),带宽超过1.5GHz。(2)采用波导轴线蛇形线微扰结构TE-TE模式转换器,模拟转换效率达到了98%以上,带宽超过2G, 第三部分,电子枪提供电子注的性能直接影响到谐振腔中注波互作用的效果。结合本教研室的科研项目,本文研究设计了双阳极磁控注入枪和大回旋电子枪,对电子枪的工作原理作了详尽的理论分析;结合PIC模拟结果,讨论了一系列设计参数的变化对电子枪主要性能,如电子注横纵速度比、电子注速度零散所造成的影响,对阳极电压、磁场分布、枪体结构等参数进行优化,PIC模拟结果显示,设计的两类电子枪均取得了优良的电子注参数。 特别的是,针对回旋放大器传统的横向信号输入方式,本文独创性地提出了采用电子枪阴极同轴信号输入,阳极后过渡段进行模式转换的信号输入方式并对其进行严格的理论和模拟验证。其间,首先对TE-TE0(n+1))波导模式转换器和TE-TE波导模式转换器两类模式转换器进行了研究,设计出符合要求的模式转换器并与本文所设计的两类电子枪相结合。模拟结果表明这种同轴信号输入的新型电子枪具有其科学性和实用性,达到了预期的结果。 本文在大量阅读国内外相关文献及本教研室的科研成果的基础上,在导师的悉心指导下,对同轴内开槽高频结构、波导模式转换器及大小回旋电子枪的设计做了一些有意义的工作并提出了一些新的思路和方法,具体如下: 1.研究了同轴内开槽结构谐振腔,详尽地分析了结构参数对谐振腔性能的影响,如内外半径的比值对模式选择特性的影响,开槽尺寸对减少模式功率损耗的影响等;针对具体结构进行PIC模拟,对今后的设计工作及工程实现具有重要的指导意义。 2.利用耦合波理论,研究了TE-TE0(n+1))波导模式转换器和TE-TE波导模式转换器两类高功率模式转换器。建立了这两类模式转换器数值分析的模型,编写了用于效率及带宽计算的程序;针对第一种模式准换器,采用了一种新型非均匀半径渐变结构,数值分析和软件模拟结果显示,这种结构的转换效率和带宽大大优于传统结构。以上的波导模式转换器在微波毫米波工程中具有很大的实用价值。 3.深入研究了双阳极磁控注入枪及大回旋半径电子枪,建立了三维的PIC模拟模型,模拟结果为大回旋电子枪的设计提供了参考。 4.新型同轴信号输入电子枪,首次提出了在过渡段添加波导模式转换器的结构。PIC模拟结果表明:这种新型电子枪在提供高效信号输入的情况下,取得与常规电子枪同样优良的电子注参数,为实际制造和加工提供了充足的理论参考和支持。