170GHz同轴回旋振荡管高频结构研究

发布时间：2017-08-13 05:13

  本文关键词：170GHz同轴回旋振荡管高频结构研究

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【摘要】：回旋振荡管是回旋管家族中发展相对快速的管种,从第一支回旋振荡管诞生到现在,经过五十多年的发展,其频率、功率和效率等性能都得到了巨大提升。传统回旋振荡管以空心圆柱体作为谐振腔,在向更高功率容量和更高频率发展过程取得了很大进步,但也遇到一些难题。首先,要提高回旋振荡管的输出功率,必须采取更高阶工作模式以及增大谐振腔的半径,而谐振腔半径的增大使得谐振腔内模式谱变得非常密集,模式竞争变得更激烈,降低了回旋管的工作稳定性和效率。其次,随着回旋管功率的增加,谐振腔壁的欧姆热损耗密度也增加。现有的冷却技术水平要求回旋管在长脉冲或连续波工作情况下,谐振腔壁的欧姆热损耗密度必须小于4KW/cm2。这些限制严重阻碍了回旋管功率和频率的提高。为了解决这些难题,有关学者提出了利用内导体稀释回旋管模式谱,减少模式竞争的同轴回旋振荡管结构。与传统回旋振荡管相比,同轴回旋振荡管增加了沿轴向逐渐变小的内导体。为了提高回旋管的性能,有些同轴回旋振荡管的内导体表面还增加轴向开槽。由于结构上的变化,同轴回旋振荡管显示出了与传统回旋振荡管不同的一些优越性。对于同轴回旋管,模式的特征根(对TEmn模,特征根为xmn;而TMmn模,则为vmn)已不再是常数,而是外导体和内导体半径比C=R/Rin的函数。设置外导体和内导体半径适当的倾斜度,能改变各个模式的绕射品质因数Qd,使工作模式的起振电流减少,竞争模式的起振电流增大(起振电流和Qd成反比),从而起到模式选择的作用。此外,由于内导体固定在运动电子注附近,所以能减少电压下降和限制电流的限制。因此,同轴回旋振荡管的研究得到了世界各国众多研究人员的重视。本论文结合课题组“国家科技重大专项”XXX研究项目开展研究,首先研究改进型170 GHz缓变截面开放式谐振腔高频特性。从简单有效的模式选择方法入手,选择TE31,12模为工作模,利用matlab软件编制程序,深入研究了圆弧或椭圆弧连接段对改进型170GHz、TE31,12模式缓变截面谐振腔绕射Qd值的影响。为了验证结论和所编程序的正确性,另外选取了170 GHz、TE0,1模式同类型谐振腔,分别利用电磁仿真软件HFSS和所编程序进行仿真模拟,也得到同样结论,证明了结论的正确性,同时也验证了所编程序。在改进型缓变截面开放式谐振腔研究基础上,论文详细研究了170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋振荡管起振电流和耦合系数。在考虑速度零散和腔壁损耗以及单模近似的基础上,根据非线性自洽理论,编制了计算效率高、核心代码部分完全矢量化的计算程序,仿真模拟了170 GHz、TE31,12模兆瓦级光滑同轴回旋振荡管注-波互作用,进一步研究了电子注速度零散、电阻率、横纵速度比、磁场、电流、电压、内导体倾角等因素对互作用效率的影响。由于受加工装配精度所限,内导体的微小偏心不可避免,而内导体的微小偏心完全改变了电磁场的边界条件,使得回旋管的整体性能都发生了改变,这是工程应用中经常遇到的现实问题。为此,论文推导建立了光滑同轴回旋管内导体偏心非线性自洽方程,深入研究了内导体偏心对光滑同轴回旋振荡管特征根、品质因数Q值、谐振频率及互作用效率的影响,为工程应用研究提供了参考。理论上,内开槽同轴回旋管抑制模式竞争能力更强一些,工作稳定性更好。因此,论文在研究光滑同轴回旋振荡管的基础上,研究设计了一支170 GHz、TE31,12模兆瓦级内开槽同轴回旋振荡管。利用matlab软件编制程序计算了内开槽同轴回旋振荡管起振电流和耦合系数,初步确定了回旋管的工作参数。.在考虑速度零散和腔壁损耗的基础上,根据非线性自洽理论,编制了计算效率高,核心代码部分完全矢量化的程序,对所研究设计的170 GHz、工作模式为TE31,12的兆瓦级内开槽同轴回旋振荡管进行了全面系统的模拟计算,进而研究了电子注速度零散、电阻率、引导中心零散、横纵速度比、磁场、电流、电压等因素对互作用效率的影响以及内导体结构参数对谐振频率、品质因数Q值、注-波互作用效率的影响。内开槽同轴回旋振荡管结构更复杂,加工装配难度更大。由于加工所带来的误差,内导体偏心更不可避免。因此,论文推导建立了内开槽同轴回旋管内导体偏心色散方程和非线性自洽方程,详细地研究了内导体偏心对特征根、品质因数Q值、注-波互作用效率及谐振频率的影响。所得结论为工程应用研究提供了参考。
【关键词】：回旋管 同轴谐振腔 注-波互作用 非线性自洽理论 内导体偏心
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN12
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 绪论12-27
• 1.1 研究工作的背景与意义12-13
• 1.1.1 微波的应用12
• 1.1.2 ITER计划所用回旋振荡管12-13
• 1.2 回旋振荡管的国内外研究历史与现状13-23
• 1.2.1 电子回旋脉塞和回旋振荡管13-19
• 1.2.2 同轴回旋振荡管19-22
• 1.2.3 国内回旋管发展现状22-23
• 1.3 本文的主要贡献与创新23-25
• 1.4 本论文的结构安排25-27
• 第二章 170GHz缓变截面开放式谐振腔的研究27-36
• 2.1 数值计算方法27-30
• 2.2 模式选择30-31
• 2.3 模拟计算结果31-33
• 2.4 HFSS仿真和编程计算结果比较33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 170GHz光滑同轴回旋振荡管非线性自洽理论36-62
• 3.1 光滑同轴回旋振荡管非线性自洽场理论37-47
• 3.1.1 电子运动方程37-41
• 3.1.2 高频场轴向分量方程41-43
• 3.1.3 同轴回旋振荡管自洽场方程43-47
• 3.2 起振电流和注-波耦合系数47-48
• 3.3 轴向波数的修正48-49
• 3.4 电子注速度零散对效率的影响49-50
• 3.5 170GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的数值计算50-60
• 3.5.1 耦合系数和起振电流的计算50-53
• 3.5.2 非线性自洽模拟计算53-60
• 3.6 本章小结60-62
• 第四章 内导体偏心光滑同轴回旋管非线性自洽理论62-75
• 4.1 非线性自洽方程62-68
• 4.1.1 内导体偏心光滑同轴回旋管色散方程62-65
• 4.1.2 内导体偏心同轴回旋管非线性自洽理论65-67
• 4.1.3 纵向波数的修正67
• 4.1.4 速度零散的影响67-68
• 4.2 数值计算结果68-74
• 4.3 本章小结74-75
• 第五章 170GHz内开槽同轴回旋振荡管非线性自洽理论75-105
• 5.1 内开槽同轴回旋管非线性自洽场理论76-85
• 5.1.1 电子运动方程76-79
• 5.1.2 电场轴向分量方程79-81
• 5.1.3 内开槽同轴回旋振荡管自洽场方程81-85
• 5.2 起振电流和注-波耦合系数85-87
• 5.3 轴向波数的修正87
• 5.4 电子注速度零散和引导中心零散的影响87-88
• 5.5 170GHz兆瓦级内开槽同轴回旋管的数值计算88-102
• 5.5.1 耦合系数和起振电流的计算88-91
• 5.5.2 非线性自洽模拟计算91-102
• 5.6 欧姆损耗102-104
• 5.7 本章小结104-105
• 第六章 内导体偏心同轴回旋振荡管非线性自洽理论105-118
• 6.1 非线性自洽理论105-111
• 6.1.1 内导体偏心内开槽同轴回旋管色散方程105-107
• 6.1.2 内导体偏心同轴回旋管非线性自洽方程107-110
• 6.1.3 纵向波数和电子速度的修正110-111
• 6.2 数值计算和结果111-117
• 6.3 本章小结117-118
• 第七章 全文总结与展望118-120
• 7.1 全文总结118-119
• 7.2 后续工作展望119-120
• 致谢120-121
• 参考文献121-130
• 攻读博士学位期间取得的成果130-131

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