检索结果-内蒙古大学图书馆

中国电子学会真空电子学分会第二十届学术年会

作者：王铁羊肖小义巩华荣电子科技大学微波电真空器件国家级重点实验室成都610054

本文介绍了一种可用于折叠波导慢波结构的非线性注波互作用计算的模型,我们采用三端口网络对单周期腔体进行等效,得到了慢波结构等效电路的级联传输矩阵,在对电子注的分析中结合瓦因斯坦的波导激励理论,建立了注波互作用模型,编写出了2.... 详细信息

本文介绍了一种可用于折叠波导慢波结构的非线性注波互作用计算的模型,我们采用三端口网络对单周期腔体进行等效,得到了慢波结构等效电路的级联传输矩阵,在对电子注的分析中结合瓦因斯坦的波导激励理论,建立了注波互作用模型,编写出了2.5维非线性互作用分析程序.本文给出了该等效电路的传输矩阵、电子运动方程、线路场方程以及空间电荷场方程,然后使用该注波互作用模型对一支Ka波段的相速渐变折叠波导行波管进行了计算,计算耗时短,计算结果与实验结果吻合良好,证明了计算结果的正确性.

关键词：行波管折叠波导等效电路传输矩阵非线性注波互作用

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W波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析

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物理学报 2014年第8期63卷 1-8页

作者：薛智浩刘濮鲲杜朝海中国电子科技集团公司第五十四研究所石家庄050000 北京大学信息科学技术学院北京100871

回旋行波管是下一代高分辨率成像雷达、高速率远程通信等电子系统首选的高功率电磁波辐射源,在国防安全方面具有重要的战略意义,研究发现,螺旋波纹波导回旋行波管具有较大的带宽,较高的电子效率及稳定性,本文从有源麦克斯韦方程组出发,... 详细信息

回旋行波管是下一代高分辨率成像雷达、高速率远程通信等电子系统首选的高功率电磁波辐射源,在国防安全方面具有重要的战略意义,研究发现,螺旋波纹波导回旋行波管具有较大的带宽,较高的电子效率及稳定性,本文从有源麦克斯韦方程组出发,系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论,数值计算结果与已有的实验报道基本相符,在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管,工作电压为80kV,工作电流为5A,中心频率为95GHz,3dB带宽约4.5%,饱和增益为52dB,最大输出功率为142kW,电子效率达20%—35%.最后,本文计算了电流、电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响。

关键词：回旋行波管螺旋波纹波导非线性注波互作用

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基于速调管2.5维粒子模型的非线性注波互作用的研究

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电子与信息学报 2010年第10期32卷 2490-2495页

作者：高冬平丁耀根刘濮鲲杜朝海赵鼎中国科学院电子学研究所中国科学院高功率微波源与技术重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100039

该文采用恰当的近似提出了速调管专用的2.5D粒子模型,并基于该模型研究速调管中复杂的非线性注波互作用过程。该模型采用粒子模拟的思想将电荷和电流恰当地分配到空间网格上,采用时域有限差分方法(FDTD)求解麦克斯韦方程组以精确解出电... 详细信息

该文采用恰当的近似提出了速调管专用的2.5D粒子模型,并基于该模型研究速调管中复杂的非线性注波互作用过程。该模型采用粒子模拟的思想将电荷和电流恰当地分配到空间网格上,采用时域有限差分方法(FDTD)求解麦克斯韦方程组以精确解出电子注的空间电荷场,采用端口近似方法模拟高频谐振腔场对电子注的影响,最后基于洛伦兹力方程求解电磁场对粒子的推动作用。该模型首次将FDTD和端口近似方法结合起来,能够比传统的1维非线性模型更加精确地模拟互作用的物理过程,同时又比全3维模拟方法节约计算资源。基于该物理模型编制了国内首个速调管2.5D粒子模拟程序KLY2D,并仿真了一支S波段50MW高峰值功率速调管。理论计算与实验结果一致,说明了物理模型和程序的可靠性,这对推动高功率速调管的设计和发展具有重要的推动作用。

关键词：速调管时域有限差分粒子模拟非线性注波互作用

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行波管注波互作用时域理论与通用非线性模拟技术研究

行波管注波互作用时域理论与通用非线性模拟技术研究

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作者：彭维峰电子科技大学

学位级别：博士

作为一类重要的微波电真空器件，行波管因具备宽频带及高功率的特点，已经成为国防和通信设备中不可或缺的关键组成部分。用于分析行波管电子注和电磁波相互作用过程的非线性理论也得到了快速的发展，对实际研制行波管起到了巨大的推动... 详细信息

作为一类重要的微波电真空器件，行波管因具备宽频带及高功率的特点，已经成为国防和通信设备中不可或缺的关键组成部分。用于分析行波管电子注和电磁波相互作用过程的非线性理论也得到了快速的发展，对实际研制行波管起到了巨大的推动作用。当前的非线性理论主要是分析稳态注波互作用的频域理论，而缺乏对注波互作用瞬态过程的时域理论研究。同时，随着人们对微波器件更高频率和更高功率的需求，涌现出诸如折叠波导行波管等新型器件，需要采用新的模拟手段来仿真这些器件的注波互作用过程。因此，研究行波管注波互作用的非线性时域理论和通用模拟方法，具有重要的意义。建立行波管注波互作用非线性理论体系至少需要三个基本方程组，即分析高频场与电子注能量交换过程的高频场方程、分析电子之间相互排斥力的空间电荷场方程以及描述电子注在电磁场作用下运动轨迹的电子运动方程。本论文围绕这三个方程组建立行波管注波互作用的非线性理论和模拟方法。论文首先在高频场方程和空间电荷场模型中引入时间变化因子，发展了行波管注波互作用非线性时域理论；然后利用数值方式建立广义高频场方程，得到了适用于各类行波管注波互作用的通用模拟模型。本论文工作的主要内容及创新点总结如下： 1.建立螺旋线行波管注波互作用的非线性时域理论。利用螺旋导电面模型推导螺旋线行波管的色散关系，然后根据该色散关系及高频电磁场表达式，建立时域高频场方程。利用空间电荷波理论求解空间电荷场，从而建立时域空间电荷场方程。将时域高频场方程、空间电荷场与相对论洛伦兹力方程描述的电子运动方程相结合，建立螺旋线行波管的非线性时域理论。 2.对实际的螺旋线行波管进行模拟以验证时域理论。首先给出模拟时域理论所需要的初始条件，包括空间网格划分方法、初始高频场在轴向网格上的分布和初始时刻电子的分布状态。同时介绍相应的数值模拟方法，其中主要推导能实现时间和位置同时步进的麦考马克方法。其次以一支C波段螺旋线行波管为例，编程求解色散方程并得到其色散曲线图。然后利用色散关系和初始条件，模拟该行波管的注波互作用并给出模拟结果，包括高频场信号的传播、高频场功率随轴向位置或时间变化的曲线、功率扫描等信息。通过对模拟结果进行分析，验证了非线性时域理论的可行性。 3.为实现对诸如谐波、交调互调等非线性现象的模拟，对螺旋线行波管时域理论进行改进。首先，利用从高频电磁仿真软件提取得到的耦合阻抗等参数来处理高频场方程，提高非线性时域模拟的适用性和精度；其次，将高频场方程和空间电荷场表达式中激励源对波长的积分替换为对时间的积分，从而可以利用不同的高频信号时间周期的倍数关系来简化时域模拟的网格划分并实现其对多频信号的模拟。 4.实现对折叠波导行波管注波互作用的非线性时域模拟。首先从折叠波导行波管慢波结构的周期性出发，利用高频电磁仿真软件和弗洛奎定理得到其互作用区的数值高频场表达式，进而利用该数值高频场求解折叠波导行波管的时域高频场方程。其次利用泊松方程与粒子模拟方法相结合的方式来处理空间电荷场，得到适用于折叠波导行波管的空间电荷场。编程实现该时域理论的一维数值仿真代码并模拟一支实际的折叠波导行波管。模拟结果与实测结果相一致，验证了该时域理论对折叠波导行波管注波互作用非线性模拟的可行性。 5.提出并实现适用于各类行波管注波互作用的通用模拟技术。首先利用注波互作用过程中电子注与高频场之间的能量守恒关系，推导通用高频场方程。其次利用傅里叶级数展开空间电荷波的方法得到通用空间电荷场模型。从电磁仿真软件中提取数值高频场来求解通用高频场方程，同时结合有限差分方法求解空间电荷场，从而建立适用于各类行波管的非线性通用模拟技术。编写基于该注波互作用通用理论的一维代码，并将其应用于对螺旋线行波管、耦合腔行波管和折叠波导行波管的非线性模拟。模拟结果表明该通用理论具备很好的适用性。

关键词：行波管非线性注波互作用时域理论通用模拟折叠波导

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螺旋线行波管三维频域非线性注波互作用的计算

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物理学报 2009年第5期58卷 3118-3124页

作者：郝保良肖刘刘濮鲲李国超姜勇易红霞周伟中国科学院电子学研究所北京100190 中国科学院研究生院北京100049

基于行波管中慢电磁行波的周期传输特性和能流坡印廷定理,考虑高频结构的衰减、切断、螺距的渐变与跳变对互作用的影响,建立了螺旋线行波管三维场论非线性自洽工作方程组.通过傅里叶展式将时域中的电流变换为与频率相关的交流电流分量,... 详细信息

基于行波管中慢电磁行波的周期传输特性和能流坡印廷定理,考虑高频结构的衰减、切断、螺距的渐变与跳变对互作用的影响,建立了螺旋线行波管三维场论非线性自洽工作方程组.通过傅里叶展式将时域中的电流变换为与频率相关的交流电流分量,采用等离子体粒子模拟的方法,求解离散化的亥姆霍兹方程获得空间电荷场的三维数值解.计算三维电子轨迹,得到精确的互作用后的电子能谱结构,为多级降压收集极的设计提供关键参数.计算结果与电子所Ku波段的测试值比较具有较好的一致性,并分析了互作用后的电子能谱结构,与多级降压收集极的实验基本符合.

关键词：行波管非线性注波互作用空间电荷场等离子体粒子模拟

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W波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析

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物理学报 2012年第17期61卷 1-8页

作者：薛智浩刘濮鲲杜朝海李铮迪中国科学院电子学研究所北京100190 中国科学院研究生院北京100049

本文从有源麦克斯韦方程组出发,系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论,数值计算结果与已有的实验报道基本相符.在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管,工作电压80 kV,工作电流5 A,中心频率95 GHz,3 dB带宽约4.... 详细信息

本文从有源麦克斯韦方程组出发,系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论,数值计算结果与已有的实验报道基本相符.在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管,工作电压80 kV,工作电流5 A,中心频率95 GHz,3 dB带宽约4.5%,饱和增益52 dB,最大输出功率142 kW.,电子效率达20%—35%.最后,本文计算了电流,电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响.

关键词：回旋行波管螺旋波纹波导非线性注波互作用

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休斯结构多间隙耦合腔注-波互作用的线性与非线性理论研究

休斯结构多间隙耦合腔注-波互作用的线性与非线性理论研究

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作者：崔健中国科学院研究生院

学位级别：博士

分布互作用速调管是在高频率条件下实现高增益、宽带宽和高功率的微波真空电子器件,而多间隙耦合腔是其提高增益带宽积和功率容量的关键技术。本论文基于空间电荷波和粒子运动学理论,围绕其中注波同步、耦合、稳定性以及非线性注波互作... 详细信息

分布互作用速调管是在高频率条件下实现高增益、宽带宽和高功率的微波真空电子器件,而多间隙耦合腔是其提高增益带宽积和功率容量的关键技术。本论文基于空间电荷波和粒子运动学理论,围绕其中注波同步、耦合、稳定性以及非线性注波互作用等相关主题开展理论和模拟分析,主要开展了以下几方面的工作:\n 1.从耦合系数基本定义出发,结合周期与非周期结构中空间谐波特性,分别讨论了其数学物理意义。基于空间电荷波理论,考虑了电子注的边缘效应和径向电场影响,拓展了原有互作用理论的适用范围,形成了多间隙耦合腔中注波互作用线性理论,获得了电子注电导、耦合系数模的平方和群聚电流的一般公式。\n 2.基于线性理论,分析了2π模工作时电子注电压、耦合腔周期长度、微波频率和导流系数对耦合系数模的平方、归一化电子注电导和群聚电流特性的影响,对多间隙耦合腔中注-波同步和耦合进行了较为全面的讨论。以Ku波段三间隙耦合腔为例,分别讨论了2π模、π模和π/2模注-波耦合与同步特点,并对这三种模式作为工作模式的适应性进行了分析和比较。结果表明,2π模耦合系数模平方虽然较低,但其归一化电子注电导和归一化群聚电流最大值却比较大。在等电压情况下,2π模对应同步周期长度最大,有利于提高电子转换效率,而π模和π/2模一次谐波对应同步周期长度较小。\n 3.基于一种多间隙耦合腔稳定性的判定标准,利用耦合腔衍射品质因数与电子注品质因数的比值来分析电路的稳定性。利用这一判定标准,讨论了2π模工作时电子注电导和间隙数目N对稳定性的影响。以Ku波段三间隙耦合腔为例,分别讨论了2π模、π模和π/2模各自作为工作模式的稳定性。结果表明,三种模式都存在稳定工作参数区域,但间隙数目增加、导流系数增大和输出加载减小都可能引起不稳定性。\n 4.从运动学基本理论出发,导出了多间隙耦合腔中注波互作用的非线性方程。分别讨论了单间隙、双间隙和三间隙耦合腔中初始相位、漂移管距离、间隙电压(调制系数)对电子转换效率的影响。结果表明,在总调制系数一定的情况下,不同间隙数目的耦合腔对2π和π模工作可以达到几乎相近的总最大电子转换效率。分析发现,多间隙腔的总电子转换效率最大值并不是取决于电子在某个间隙内获得最大减速,而是电子在这一间隙释放能量后,同时速度变化使电子注的群聚更有效,为在下一个或若干个间隙更好的释放能量,实现电子在所有间隙发生互作用的最佳结合。

关键词：分布互作用速调管多间隙耦合腔电子转换效率非线性注波互作用

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等离子体填充耦合腔行波管非线性注波互作用分析

等离子体填充耦合腔行波管非线性注波互作用分析

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作者：庞晓贝电子科技大学

学位级别：硕士

等离子体加载微波器件能显著地改善带宽、效率和功率等综合性能,并且可以降低或省去外部聚焦磁场。目前等离子体微波器件主要有等离子体加载返波管、等离子体辅助慢波振荡器、等离子体行波管等,并已由此形成等离子体微波电子学科,这一... 详细信息

等离子体加载微波器件能显著地改善带宽、效率和功率等综合性能,并且可以降低或省去外部聚焦磁场。目前等离子体微波器件主要有等离子体加载返波管、等离子体辅助慢波振荡器、等离子体行波管等,并已由此形成等离子体微波电子学科,这一新学科具有独特的理论研究方法与实验技术,已成为国际上非常活跃的研究领域。本论文对等离子体加载耦合腔行波管一维注波互作用过程大信号特性进行了分析讨论。主要内容有: 应用瓦因斯坦波导激励模型,在忽略电子速度弥散,横向运动以及相对论效应的情况下,建立分析了在有限聚焦磁场下等离子体填充耦合腔慢波结构的互作用一维模型,导出了一维非线性注波互作用工作组方程,为理论分析等离子体填充行波管提供了一定的依据。采用Rung-Kutta算法,应用Matlab编程实现了大信号特性的仿真。由数值分析结果可知,当填充有一定密度的等离子体时,在超过20%的带宽上,效率可达到40%以上,比真空中耦合腔行波管的效率有了很大的提高。同时分析了压制系数对互作用效率的影响,发现在考虑空间电荷场效应的情况,电子超越的距离缩短,互作用效率提高,增益变大。应用粒子模拟软件MAGIC,对未填充等离子体时的耦合腔慢波结构色散特性以及模式分布进行了仿真,详细分析了各个结构参数对冷腔下的色散特性的影响,以及π模、3π2模、2π模时电场和磁场的分布,为进一步研究注波互作用打下了基础。同时还对加载等离体后,色散特性的变化作了初步的实验仿真,根据实验分析结果,在等离子体密度低于真空腔通带的最低频率时,通带曲线随等离子体密度增加而上移,当等离子密度达到一定值,腔模和等离子体模相耦合,在整个频谱上都充满谐振点,之间几乎没有禁带,工作带宽有着显著的提高。

关键词：耦合腔慢波结构等离子体非线性注波互作用

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螺旋线行波管时频域非线性互作用理论研究及应用

螺旋线行波管时频域非线性互作用理论研究及应用

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作者：李国超中国科学院电子学研究所

学位级别：博士

螺旋线行波管具有宽频带、高增益和高功率等优点，是重要的微波功率放大器，大量应用于卫星通信系统、电子对抗系统和雷达系统。随着现代科技的飞速发展，迫切需要更优越性能的螺旋线行波管，要求更高的输出功率和更高的效率，向更高的... 详细信息

螺旋线行波管具有宽频带、高增益和高功率等优点，是重要的微波功率放大器，大量应用于卫星通信系统、电子对抗系统和雷达系统。随着现代科技的飞速发展，迫切需要更优越性能的螺旋线行波管，要求更高的输出功率和更高的效率，向更高的频段发展。螺旋线行波管是通过运动的电子与慢波结构上传播的高频场之间的能量交换实现信号的放大，其放大机理本质上是一种非线性的物理过程，研究螺旋线行波管中的电子注与波非线性互作用，对提高行波管性能具有重要的意义，本论文主要内容如下：(1) 基于粒子模拟技术研究了螺旋线行波管的时域非线性理论。在考虑夹持杆和屏蔽筒影响的条件下，通过对螺旋线慢波结构中传播的场的分析，得到了慢波结构中电磁场的表示形式；通过对电子注的分析，得到了用泊松方程求解空间电荷场的物理模型;通过对慢波结构中能量传播的分析，导出了注波互作用方程，并分析了注波互作用方程求解的MacCormack方法，编写了相应的程序进行计算分析，能够分析不同的聚焦磁场（均匀磁场或者周期永磁场）的影响；时域的非线性理论能够分析行波管的时变特性，分析调制波形在行波管中的传播，时域模型能够提供频域模型所不能提供的信息。(2) 通过对慢波结构中传播的电磁场的分析，得到了螺旋线行波管频域注波互作用二维和三维的物理模型，通过类似Poynting定理的推导得到了线路方程，采用粒子模拟的方法分析行波管互作用。对空间电荷场，通过对电子注电流的傅立叶变换以及利用电子注的角向对称性的假定，将空间电荷场波动方程的维数降低到一维，得到了三维模型的空间电荷场描述，进一步通过角向对称性的应用得到了二维模型的空间电荷场描述，对空间电荷场的简化大大减少了计算量。(3) 螺旋线行波管中返波振荡是影响行波管设计的重要问题，当行波管中髙频信号滞后于高压信号或者高频信号脉宽小于高压信号脉宽时，即在高电压信号的上升沿和下降沿，这时没有高频信号但返波振荡也有可能被激起，这在以往是被忽略的，从瓦因斯坦的波导激励理论出发，导出了在布里渊流这种特殊条件下的非线性返波振荡工作方程；分析了周期永磁场的磁场周期和磁场强度抑制返波振荡的效果，同时考虑了损耗因子、空间电荷场、不同磁场位形对抑制返波振荡效果的影响，从理论上说明了该方法的有效性，为行波管的设计和优化提供了依据。(4) 讨论了ε占优的多目标优化算法，研究了行波管的频域物理模型和多目标优化算法的结合，详细分析了优化设计的流程，应用该算法对一支行波管进行了优化设计，对优化结果进行了详细分析，采用三维程序对优化结果进行了验证，详细分析了两者之间的差别，为行波管的进一歩优化设计打下了基础。

关键词：行波管螺旋线非线性注波互作用多目标优化返波

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螺旋线行波管高频特性及非线性注—波互作用研究

螺旋线行波管高频特性及非线性注—波互作用研究

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作者：肖刘中国科学院研究生院（电子学研究所）

学位级别：博士

本论文从理论计算、软件模拟和实验测量三个方面较系统的研究了螺旋线行波管的高频特性和注波互作用，并以理论计算为基础进行多目标的结构参数优化，为螺旋线行波管的工程设计提供可靠的依据。研究内容按内在的先后关系进行组织。首先... 详细信息

本论文从理论计算、软件模拟和实验测量三个方面较系统的研究了螺旋线行波管的高频特性和注波互作用，并以理论计算为基础进行多目标的结构参数优化，为螺旋线行波管的工程设计提供可靠的依据。研究内容按内在的先后关系进行组织。首先深入研究了螺旋线慢波系统的基础理论，结合软件模拟和实验测量，为非线性计算提供较准确的冷测参数；通过详细的理论推导给出了螺旋线行波管的非线性场理论，对L、C和Ku波段空间行波管的计算结果表明，理论与实验结果基本一致；最后在行波管的设计工作中引入了多目标的优化方法，并对这些方法进行改进。论文的主要工作如下：一、通过详细研究有限宽度螺旋带理论中的坐标变换，指明了复合变量KHz-θ的特殊含意，证明了将电磁场分量写成变量分离的形式是适当坐标变换的必然结果，而不是人为的假设。使用阻抗矩阵，在坐标变换的基础上将螺旋带处的边界条件用电场分量统一表示。其中的积分与Chebyshev多项式的积分在形式上高度一致，构成了面电流Chebyshev多项式展开的数学基础。二、带状螺旋线上的面电流分布在实验上无法测量。应用三维电磁场计算软件HFSS进行了模拟，为面电流分布简化假设的使用提供参考。同时也从软件模拟的角度证明，螺旋带上面电流的Chebyshev多项式展开在理论上不仅是合理的，也是必要的，即更接近螺旋带上面电流的实际分布。三、应用改进了的螺旋带色散和耦合阻抗的计算方法，在成功去除面电流假设的同时对介质进行径向分层。在径向分层时，不需对随层数增加而增加的高阶矩阵进行求逆运算，因此适合于介质的高阶分层处理。基于此理论编写了可径向任意分层的普适性程序，计算与实验的结果有很好的一致。四、加工和组建了较精密的实验装置，使用Aglient 8510C矢量网络分析仪分别测量了一个无翼片和两个不同翼片加载慢波结构的色散特性和耦合阻抗。将系统等效为二端口网络，对非谐振系统耦合阻抗公式中的Δφ进行了修正，可以有效消除端口反射的影响，抑制了实验结果的波动。在软件模拟中，考虑了高次空间谐波对耦合阻抗计算结果的影响。

关键词：行波管色散耦合阻抗非线性注波互作用多目标优化

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