岳玲娜[1]2005年在《同轴加载圆波导慢波系统的研究》文中认为现代军事技术的需求为高功率微波的发展提供了良好的环境，高功率微波源作为高功率微波的重要研究领域也迅速发展起来。而高功率微波源的核心部件是电子注与波进行互作用的场所，对行波管而言即为慢波系统，它的优劣直接影响高功率微波源的性能。全金属慢波结构因其尺寸大、热耗散能力强、整体性能好等优点被广泛应用于宽带、大功率行波管和相对论行波管中，而膜片周期加载慢波系统正是全金属结构中最重要、应用最广泛的一大类结构。本文在传统膜片加载慢波系统的基础上，提出了一类新型的同轴膜片周期加载慢波结构，从理论分析、数值模拟及实验验证几个方面对其进行了全面深入的研究。本论文主要的工作成果为： 一、首次提出一类同轴阶梯形膜片加载慢波系统，利用严格的场匹配法，推导出色散方程和耦合阻抗的表达式。色散方程表达式可以作为一种通用形式用来研究同轴或非同轴的脊加载和普通膜片加载结构。通过数值计算，不仅比较了不同形式加载结构的色散特性差别，还详细研究了结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响。和同轴脊加载以及普通膜片加载结构相比，同轴阶梯形加载结构的带宽最宽。 二、利用具有环形电子注的平衡态模型，通过场匹配法，建立了同轴阶梯形膜片加载慢波系统的注波互作用自洽场理论，得到了此结构在小信号条件下的热色散方程。数值分析了结构参数和电子注参数对增益和色散的影响，该结构的3dB带宽可达30％，从而为相对论行波管发现了一种新型的宽带大功率慢波结构。 叁、提出了分析任意槽形膜片加载慢波结构的一种普遍分析方法，它用一系列矩形阶梯来近似槽区的边界。这一方法适合于分析任何膜片边界或膜片间的槽边界光滑或有较大突变的结构，因此也可用来分析同轴阶梯形膜片加载波导。利用此法获得了同轴任意槽形膜片加载结构的普遍色散方程和耦合阻抗表达式。通过数值运算得到了系统结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响，并比较了五种特殊形状槽形膜片加载结构的高频特性，相同尺寸下叁角形槽的带宽最宽，但耦合阻抗最低。 四、分析了同轴任意槽形膜片加载圆波导的注波互作用的线性理论，得到了
岳玲娜[2]2003年在《同轴膜片加载慢波系统的研究》文中研究说明随着现代军事技术的发展，“高功率微波技术”形成一个新兴的技术领域并迅速地发展起来。高功率微波的重要研究领域之一是高功率微波源，而高功率微波源的核心部件是电子注与波进行互作用的场所，对行波管而言即为慢波系统，它的优劣直接影响高功率微波源的性能。文中讨论了应用于相对论行波管的同轴膜片加载圆波导慢波系统。 本文分析了同轴膜片加载圆波导和脊加载同轴膜片圆波导两种慢波系统，它们均采用全金属结构，具备尺寸大、散热性能好，易加工的特点。其有别于普通膜片加载波导的同轴结构，使得带宽得以拓展，因此很可能成为一类同时满足高功率容量和宽带要求的慢波结构。本文的主要研究工作和创新点如下： 一、首先完善了同轴膜片加载圆波导慢波系统的理论分析，得到该系统色散方程和耦合阻抗表达式，并通过数值模拟计算，详细讨论了慢波系统几何尺寸对色散特性和耦合阻抗的影响。 二、首次对同轴膜片加载圆波导注波互作用线性理论进行了研究。利用自洽场理论以及场的匹配方法，推导出此结构在小信号条件下的热色散方程，讨论了电子注参量和慢波系统几何参量与小信号增益和色散的关系。 叁、创造性地提出脊加载同轴膜片圆波导慢波结构，并对其采用严格的场匹配法，详细推导了色散方程和耦合阻抗表达式，并得到一系列有关系统结构参量与色散和耦合阻抗之关系的数值模拟结果。结果表明，脊加载结构在某种程度上能提高耦合阻抗。 四、引入薄环形电子注，首次建立了脊加载同轴膜片圆波导的注波互作用线性理论，得到小信号条件下的色散方程。数值模拟了电子注参数和色散与增益的关系。 五、加工了同轴膜片加载圆波导慢波系统实验模型，用谐振法测得的色散特性与理论数据良好吻合，从而验证了同轴膜片加载圆波导慢波系统色散特性理论分析的正确性。
陈妍红[3]2005年在《同轴交错膜片加载慢波线的研究》文中研究说明随着现代高技术战争的发展,对大功率微波电子管提出了新的需求,并为其发展提供了良好的环境,促使真空电子器件向更大功率、更宽频带、高效率和高可靠性方向快速发展。高功率微波的重要研究领域之一是高功率微波源,对行波管而言慢波系统的优劣直接影响着高功率微波源的性能。本论文讨论了一种新型的全金属慢波结构─同轴交错膜片加载慢波线。由于是全金属结构,此结构具备尺寸大、散热性能好、易加工的特点。本文从理论分析和实验研究两方面着手,对同轴交错膜片加载慢波结构的高频特性进行了深入的研究。主要工作成果与创新之处在于:一. 首先完善了忽略膜片厚度时同轴交错膜片加载慢波线的理论分析,采用变分法和贝塞尔函数的正交性导出其色散方程,并对理论结果进行了数值计算。通过对计算结果的比较可以看出,当我们适当地改变同轴交错膜片加载慢波线的尺寸参数时,可以不同程度地影响其色散特性。同时把此结构与其他具有周期性同轴膜片加载的结构进行了比较,可以看出,当选择的参数适当时,同轴交错膜片加载慢波线能够得到很宽的带宽(远远超过50%),色散非常弱,明显优于非交错或单向同轴膜片加载慢波线的结构。二. 首次将膜片厚度引入同轴交错膜片加载慢波线的分析中。重新对慢波结构的场分布进行了分区求解,利用严格的场匹配方法推导出该结构的色散方程。详细讨论了慢波结构几何尺寸对色散特性的影响。虽然考虑厚度时同轴膜片加载慢波线的带宽没有忽略厚度时的宽,但其工作通带的频率要比忽略厚度情况下高一倍左右。叁. 首次对同轴交错膜片加载慢波结构的耦合阻抗进行了研究。利用储能定理推导出系统的耦合阻抗表达式。通过数值计算可以看出,当改变同轴交错膜片加载慢波线的结构尺寸时,系统的色散特性和耦合阻抗均有不同程度的改变。选择适合的参数,就能得到更宽的带宽且有较弱的色散,同时又能提高耦合阻抗。理论分析为后面的实验奠定了基础,并提供了有效的模型参数。四. 根据理论分析的结果,首次制作出具有一定膜片厚度的同轴交错膜片加载慢波结构的模型,采用谐振法对该模型进行“冷”色散实验研究。实验结果表明:理论分析的结果与实验所得的数据符合良好,验证了理论分析的准确性和可靠性。
滕军[4]2008年在《倒同轴膜片加载圆波导高频特性研究》文中认为行波管的慢波系统是行波管的一个核心部件,它的性能优劣直接决定了行波管的整体性能。寻求新型慢波结构的主要困难来自于系统开敞性与封闭性的矛盾。减弱色散、增加带宽要求结构在一定尺寸范围内增加开敞性;反之,改善热耗散,提高功率容量,则希望结构具有金属封闭性。本论文旨在传统膜片加载波导理论分析的基础上,寻求一种在相对较宽的频带内获得大功率的系统。在同轴导体系统的内导体上,周期地加载膜片可构成一种慢波结构,我们称之为倒同轴高频结构,它具有频带宽,加工方便等特点;这是一种封闭性结构,为了进一步提高性能,如果在外导体上开缝隙,将构成一种开放式倒同轴高频系统。本论文就针对封闭型倒同轴膜片加载结构以及开放式倒同轴系统进行研究,得出它们的色散方程和耦合阻抗表达式以及注-波互作用“热”色散方程,并通过数值模拟进行了大量计算,得出一些有意义的结论。主要研究工作和创新点如下:1、分析了倒同轴矩形槽膜片加载圆波导结构的高频特性。用场论的方法分析了矩形倒同轴圆波导系统中的场,同时考虑快波和慢波,利用加载区的场匹配条件以及中心互作用区与加载区的场匹配条件,获得矩形倒同轴圆波导结构的色散方程.利用该色散方程得出的色散特性与HFSS仿真软件模拟结果良好符合.通过数值计算分析了不同结构参数对色散特性影响。分析了内导体加载槽深度和加载模片宽度对色散特性和耦合阻抗的影响。2、对倒同轴矩形槽膜片加载圆波导结构的注-波互作用线性理论进行研究。采用场论的方法,得到了小信号条件下的“热”色散方程。考察了电压,电流及电子注半径对增益和带宽影响,并分析了加载膜片深度和模片宽度对增益的影响。3、获得了倒同轴任意形槽膜片加载慢波结构统一形式的色散方程和耦合阻抗表达式,在此基础上,研究了不同膜片加载形状对此慢波系统特性的影响。4、研究了开放式倒同轴膜片加载圆波导结构系统。分别得出缝隙区、中心区和膜片加载载区的场表达式,并利用各区交界面的场匹配条件,获得了开放式倒同轴膜片加载圆波导结构的色散方程;同时,对此结构中填充电子注时的注-波互作用线性理论进行了研究,推导出了小信号条件下的“热”色散方程。
詹鑫伟[5]2011年在《介质加载同轴膜片圆波导慢波特性的研究》文中提出随着无线电通信和现代军事技术的发展,微波电真空器件得到一定的发展。半导体器件和集成电路的问世,使得普通电真空电子管的地位一落千丈,也使中小功率微波电真空器件面临严峻的挑战。但是,大功率又成了半导体器件发展的瓶颈,而集成电路与微细加工技术的发展又为电真空器件的发展奠定了基础,使其能发挥大功率的特点。行波管以其高增益、大功率、宽频带的特点,在大功率微波器件中有很重要的地位。慢波系统是行波管中进行注波互作用实现能量交换的核心部件,它的优劣直接影响行波管的性能。本文研究了一类介质加载同轴膜片圆形波导慢波结构。考虑了在慢波结构周期膜片间和中心轴上两种加载介质方式。本文将从理论分析和软件仿真两个方面对其进行分析。本论文的主要工作和创新如下:1、对介质加载同轴膜片圆波导进行了研究,用场匹配的方法推导了该结构的“冷”色散方程及耦合阻抗表达式,并对理论值和仿真值进行了比较,结果吻合良好,验证了色散方程的正确性。并数值分析了该慢波结构的高频特性随系统参数(相对介电常数、槽深等)的变化规律。结果表明:增加介质介电常数、槽深可以降低相速,增大耦合阻抗。2、对具有中心介质棒的膜片圆波导进行了研究,用场匹配的方法推导了该结构的“冷”色散方程及耦合阻抗表达式。数值分析了该慢波结构的高频特性随系统参数(相对介电常数、槽深等)的变化规律。增加槽深、周期长度可以降低相速,增大耦合阻抗。3、用场匹配的方法推导了具有中心介质棒的膜片加载圆波导的“冷”色散方程及耦合阻抗表达式,并用数值计算程序及HFSS做了大量的计算分析,结果表明:中心加载介质棒且在膜片间周期加载介质的结构,与不加介质棒结构和膜片间无介质加载结构相比有的相速;相邻膜片介质加载结构比相间膜片介质加载结构的相速也要低。
谢辉[6]2010年在《等离子体分布互作用器件研究》文中进行了进一步梳理在微波电真空器件中引入适当的等离子体,可以克服空间电荷效应对电子注传输电流的限制,提高电子注功率和微波输出功率,为微波电真空器件和微波电子学的发展开辟了一条新途径。分布互作用振荡器(EIO)及放大器(EIA)是一类重要的毫米波电真空器件,它把行波管的宽带特性及速调管高增益、高效率优点结合起来,是一种既有高的增益和效率,又有足够带宽的器件。论文对填充等离子体的分布互作用振荡器进行了理论分析、数值计算和粒子模拟,主要开展了以下工作:1.对填充等离子体的膜片加载慢波系统中电子注与波互作用进行了分析,导出存在等离子体和电子注情况下的色散方程,计算了色散曲线和注波互作用增长率,采用电子注圆环模型对等离子体背景下的注波互作用非线性理论进行了推导。2.对在等离子体中的电子注传输特性进行了研究,发现等离子体可显着改善电子注在高频结构中的传输特性,维持电子注聚束所需的聚焦磁场比真空状态大幅度下降。3.采用MAGIC粒子模拟程序对填充等离子体的空心注、实心注和同轴EIO进行了仿真模拟,发现等离子体对电子注与波之间的互作用具有显着影响,电子注可在等离子体中激发起等离子体波,使输出微波的频谱增宽,在一定条件下,等离子体的存在可提高输出功率和微波频率。4.在理论分析和粒子模拟基础上建立一套采用空心阴极等离子体电子枪的8毫米EIO实验系统,对设计的EIO进行了实验并获得初步实验结果。
袁家德[7]2006年在《X波段圆盘加载返波振荡器的特性研究》文中研究表明高功率微波的重要研究领域之一是高功率微波源，而高功率微波源的核心部件是电子注与波进行互作用的场所，对返波管而言即为慢波系统，它的优劣直接影响高功率微波源的性能。本文中提出的慢波系统是内同轴圆盘加载结构。主要研究工作和创新点如下：一、首先提出了把内同轴圆盘加载结构作为相对论返波振荡器的慢波结构，从Maxwell方程组和Floquet定理出发，导出了电磁波在内同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_(0n)模式的色散曲线；数值分析了慢波结构的周期长度和槽深对器件色散特性的影响。二、运用场匹配法，推导出该慢波系统耦合阻抗表达式，并通过数值计算，讨论了慢波系统几何参量对耦合阻抗的影响。叁、对内同轴圆盘加载返波振荡器中注波互作用线性理论进行了研究。利用场匹配方法，推导出此结构在小信号条件下的热色散方程，讨论了在给定几何参量的条件下，小信号增益与工作频率的关系。四、运用粒子模拟的方法，对设计好的内同轴圆盘加载结构的返波管进行粒子模拟，得出了各参数对输出功率和效率的影响规律，得出了一组优化值。研究结果表明该种器件具有一系列突出优点：同轴结构导体的存在，加大了电子注半径，在工作电流不变的情况下空间电荷效应大幅度降低，因而可工作在低磁场状态，聚束磁场仅需要0.7T。内同轴圆盘加载波导内场分布也有利于实现高效的注波互作用，且慢波结构在内导体上，加工很方便。因此该器件具有广阔的应用前景。
张华[8]2014年在《Ku波段低导引磁场过模Cerenkov型高功率微波振荡器研究》文中指出Cerenkov型高功率微波(HPM)振荡器由于其功率效率高、频谱特性好、工作稳定、作用机制简单等特点,是目前最有潜力的高功率微波产生器件之一。Ku波段相比S、C和X等波段,频率更高,对Pf~2因子的提高具有很大的潜力,而目前该波段应用于HPM器件的研究报道较少。Ku波段器件的尺寸较小,采用过模慢波结构可有效提高器件的功率容量;但需要考虑由于采用过模结构而可能引起的高阶模式竞争。在此背景下,本文提出了一种Ku波段低导引磁场过模慢波结构Cerenkov型HPM振荡器结构,器件采用过模慢波结构,设置漂移腔和渐变参数慢波结构,以提高器件功率效率,并可以改善互作用区电场分布,减小最大表面电场,提高器件功率容量。该器件在较低的导引磁场条件下,实现了GW级功率水平的准单模输出。论文的研究内容包括以下几个方面:首先,利用解析方法、多项式展开方法以及有限元仿真方法对器件所采用的矩形波纹慢波结构色散关系进行求解,研究了结构参数对色散关系的影响。介绍了过模慢波器件及其中的模式选择问题,通过恰当选取慢波结构及电子束参数,可使器件工作点在TM01模π模点附近,此时器件Q值较高,工作模式的起振电流较小,容易被激励;漂移腔、反射腔等腔体对器件内的谐振频率进行筛选,实现模式选择。其次,应用粒子模拟软件对Cerenkov器件产生Ku波段HPM的机制进行了研究。设计了Ku波段Cerenkov型HPM振荡器的结构,分析了电子束的空间分布与群聚、电流调制、微波功率与频谱以及电磁场空间分布等物理图像,研究了加速器运行参数和器件结构参数对输出性能的影响,结果表明,漂移腔及渐变参数慢波结构的应用有利于器件功率、效率水平的提升。在二极管电压540 k V、电子束流5.8 k A、导引磁场0.6 T的条件下,获得了功率为1.2 GW、频率为13.80 GHz、功率效率约38%的微波输出;输出微波主模为TM01模,占全部输出功率的95.1%;器件中最大表面电场强度为0.8 MV/cm。采用叁维PIC粒子模拟和KARAT模拟对上述结果进行比对,一致性较好。再次,对提出的Ku波段Cerenkov型HPM振荡器开展了实验研究。实验在Torch-01强流相对论加速器平台上开展。结果表明,二极管电压为740 k V、电子束流为9.9 k A、导引磁场为0.8 T条件下,产生微波功率最高为1.1 GW、脉宽为24 ns,微波频率单一性良好,中心频率为13.76 GHz,主要模式为TM01模,功率效率为15%。器件具有稳定的运行能力,连续运行30次工作,输出微波功率为1.05±0.05 GW,功率效率为14%±1%。对比研究了阴极发射材料对器件辐射高功率微波的影响,结果表明POCO石墨阴极和单层介质-铜阴极工作较为稳定,采用双层介质-铜阴极时器件辐射功率最高。对初期实验中激励的非旋转对称模式进行了分析和判别,并采用增加二极管电压、加大导引磁场以及更换阴极材料等方法对其进行了有效抑制。最后,对Ku波段Cerenkov型HPM振荡器进行了拓展模拟研究。将金属膜片-支撑杆结构引入Cerenkov型微波产生器件,设计了一种类膜片慢波结构,并分析了该类慢波结构的色散关系以及纵向模式分布。设计了类膜片加载慢波结构的Cerenkov型HPM振荡器的结构参数。模拟结果表明,在二极管电压为540 k V、导引磁场强度0.6 T条件下,输出功率约为1.0 GW、频率为15.41 GHz,功率效率为30%。器件中表面电场强度较常规矩形波纹慢波结构场强有所下降,其最大值为0.6 MV/cm,这对此类器件在高功率,长脉冲条件下运行打下了基础。论文最后对更高功率输出器件进行了初步模拟研究。
徐进[9]2005年在《周期膜片加载椭圆波导的研究》文中研究表明在各种微波器件如滤波器、辐射器、谐振器和宽带传输线中椭圆波导有着广泛的应用。周期加载波导在高功率微波管、波纹喇叭和线性加速器等中起着重要作用。全金属慢波结构因其尺寸大、热耗散能力强、整体性能好等优点被广泛应用于宽带、大功率行波管和相对论行波管中,而膜片加载慢波系统正是全金属结构中最重要、应用最广泛的一大类结构。而到目前为止,人们对椭圆截面的周期加载结构的关注还比较少。在本论文里,我们讨论了周期膜片加载椭圆波导作为慢波结构的射频特性,这种结构有可能应用于高功率器件和毫米波段的滤波网络。本论文的主要工作:由于在使用马丢函数时存在一些困难,主要是因为不能简单方便地对其进行解析表示,我们给出整数阶各类马丢函数的详细计算方法,该方法适合较大范围的阶数n和参数q值,实际计算中采用了Matlab软件进行编程实现,并给出了各类马丢函数在自变量和q值两个参数变化下的叁维可视化图形。分析了周期膜片加载共焦椭圆波导,在考虑空间谐波和不考虑空间谐波两种情况下的慢波特性。应用场匹配方法得到这种结构的色散方程和平均耦合阻抗。研究了特征行列式阶数对计算精度的影响,通过数值分析讨论了不同离心率对色散和耦合阻抗的影响。发现椭圆短半轴长度保持不变,增加长半轴能减小色散,而耦合阻抗在高频段变化缓慢,有较大的值。采用场匹配法和椭圆柱波函数加法定理对具有圆中心孔的周期膜片加载椭圆波导进行了理论分析。分别推导得出这一结构的色散方程和平均耦合阻抗,并进行数值计算,计算结果与CST软件仿真能很好地吻合。研究了不同结构尺寸对慢波特性的影响。最后对该结构的模式隔离度进行了探讨。
陈妍红, 王文祥, 岳玲娜, 宫玉彬[10]2005年在《同轴交错膜片加载慢波线的分析》文中研究指明膜片加载圆波导是相对论行波管最主要的慢波结构,同轴结构的膜片加载波导可以拓宽带宽。利用变分法对同轴交错膜片加载的慢波结构(亦称同轴径向线)进行了理论分析,得到了色散方程并进行了数值计算。计算结果表明,它比非同轴结构的带宽有明显的增加。
参考文献：
[1]. 同轴加载圆波导慢波系统的研究[D]. 岳玲娜. 电子科技大学. 2005
[2]. 同轴膜片加载慢波系统的研究[D]. 岳玲娜. 电子科技大学. 2003
[3]. 同轴交错膜片加载慢波线的研究[D]. 陈妍红. 电子科技大学. 2005
[4]. 倒同轴膜片加载圆波导高频特性研究[D]. 滕军. 电子科技大学. 2008
[5]. 介质加载同轴膜片圆波导慢波特性的研究[D]. 詹鑫伟. 电子科技大学. 2011
[6]. 等离子体分布互作用器件研究[D]. 谢辉. 电子科技大学. 2010
[7]. X波段圆盘加载返波振荡器的特性研究[D]. 袁家德. 电子科技大学. 2006
[8]. Ku波段低导引磁场过模Cerenkov型高功率微波振荡器研究[D]. 张华. 国防科学技术大学. 2014
[9]. 周期膜片加载椭圆波导的研究[D]. 徐进. 电子科技大学. 2005
[10]. 同轴交错膜片加载慢波线的分析[J]. 陈妍红, 王文祥, 岳玲娜, 宫玉彬. 强激光与粒子束. 2005