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双间隙输出腔速调管的注波互作用程序设计

作　者: 都培伟
导　师: 杨中海
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 速调管 注-波互作用 双间隙输出腔 非线性理论
分类号: TN122
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 66次
引　用: 1次
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内容摘要


大功率速调管在微波电子管中占有重要地位。由于具有极大的输出功率、高增益、长寿命、高稳定性等特点,其在雷达、通信、高能粒子加速器、工业加热等方面获得了广泛的应用。宽频带、高功率、高效率是速调管放大器发展的趋势,而双间隙耦合腔作为展宽频带、提高效率、提高峰值功率和平均功率的有效手段已广泛用于多注速调管和大功率速调管中,采用双间隙耦合腔可以提高速调管输出间隙的特性阻抗R/Q,使其输出带宽增加1.5-2倍,其次,通过降低单个间隙的电压和减少腔壁单位面积的功率损耗,可以提高速调管的峰值功率和平均功率容量。此外,利用双间隙耦合腔可以改善速调管输出间隙中电子与高频场的相互作用,提高速调管的效率。虽然大功率速调管具有以上所述的优点,但是其研制周期与开发费用也是相当惊人的。因此,为了缩短器件的研制周期,减小成本,提高器件的性能,对计算机辅助设计(CAD)的应用也越来越广泛,目前几乎新研制的各种速调管都采用了CAD技术。以多注速调管(MBK)的发展为例就可以看出CAD技术在微波管研究中所起的作用。目前已有多种商用软件可以应用于SBK和MBK的设计与分析中,如MAFIA、MAGIC、HFSS和ANSYS等,其中MAFIA和MAGIC具有粒子模拟(PIC)的功能,可以对速调管的工作过程进行精确的模拟,但遗憾的是国内尚无具有自主知识产权的速调管分析软件。注-波互作用的分析与计算是真空电子器件CAD软件的重要内容,因为正是在注-波互作用阶段电子交出动能,然后转化为微波能量。但是目前对速调管双间隙输出腔的理论研究多为利用现有的模拟软件来进行仿真计算,所需时间很长,为了研究大功率速调管特别是在双间隙输出段中的注-波互作用过程,本文开发了一个利用单周期时间积分模型的快速分析程序,利用这一模型计算所得的数值结果与相关文献及MAGIC软件模拟所得结果比较吻合。由于所编写程序耗时短,因此可以对影响注-波互作用的参量进行快速分析。本论文主要工作如下:一、利用CST软件对单间隙和双间隙谐振腔中的电磁场进行了分析,并对双间隙耦合腔中间隙阻抗的求解以及耦合缝大小对谐振频率的影响进行了分析。二、一维理论分析中,利用一维单周期时间积分模型,编写了双间隙输出腔速调管的注-波互作用分析程序,其中只考虑了电子圆盘在轴向的运动状态,程序分析中全部依据时间积分原理对整个互作用过程进行处理。三、二维理论的分析中,由速调管轴向与径向的互作用方程组出发,结合有限厚度的电子圆环模型,依据时间积分原理对整个互作用过程进行处理。其中对速调管双间隙输出腔的注-波互作用分析为本文主要创新点。四、以某S波段速调管为例进行了详尽的数值分析并与相关文献及MAGIC软件的运行结果进行验证,结果表明:本程序基本符合实际情况。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 速调管的发展历史  10-12
  1.2 速调管的基本结构与工作原理  12-14
    1.2.1 速调管的基本结构  12-13
    1.2.2 速调管的工作原理  13-14
  1.3 速调管的研究现状、应用及未来展望  14-16
    1.3.1 速调管的研究现状与应用  14-15
    1.3.2 速调管的未来发展趋势  15-16
  1.4 速调管CAD 技术的作用与发展  16-17
  1.5 学位论文选题依据及工作内容  17-20
    1.5.1 学位论文的选题依据  17-18
    1.5.2 学位论文的工作内容  18-20
第二章 速调管谐振腔的理论分析  20-28
  2.1 引言  20
  2.2 双重入式单间隙腔分析  20-22
  2.3 双间隙耦合腔的分析  22-28
    2.3.1 间隙阻抗的求解  23-25
    2.3.2 利用CST 对双间隙耦合腔的分析  25-28
第三章 速调管非线性理论分析  28-48
  3.1 速调管一维非线性理论分析  28-36
    3.1.1 一维电子圆盘模型  28-29
    3.1.2 运动方程  29-32
    3.1.3 空间电荷力的计算  32-33
    3.1.4 电子注与谐振腔相互作用的计算  33-36
  3.2 速调管一维非线性的时间积分理论  36-39
    3.2.1 物理模型  36-37
    3.2.2 相对论运动方程及其差分化处理  37-38
    3.2.3 输出间隙感应电流的计算  38-39
  3.3 速调管二维非线性理论  39-48
    3.3.1 物理模型  39-40
    3.3.2 非线性运动方程及其差分化处理  40-43
    3.3.3 圆环之间空间电荷力的求解  43
    3.3.4 双间隙耦合腔中高频电压的确定  43-45
    3.3.5 谐振腔作用间隙中的电场  45-46
    3.3.6 速调管电子效率的计算  46-48
第四章 双间隙输出腔速调管的数值结果分析  48-74
  4.1 一维数值分析与程序流程  48-55
    4.1.1 空间电荷力的计算  48
    4.1.2 运动方程的编程求解  48-49
    4.1.3 一维理论数值分析  49-54
    4.1.4 一维非线性程序的流程图  54-55
  4.2 二维数值分析与程序流程  55-66
    4.2.1 空间电荷力的分析  55-58
    4.2.2 二维理论的数值分析  58-65
    4.2.3 二维非线性程序的流程图  65-66
  4.3 结果比较  66-74
    4.3.1 数值结果与相关文献的比较  66-69
    4.3.2 MAGIC 运行结果分析  69-73
    4.3.3 本章小结  73-74
第五章 总结  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-79
攻硕期间取得的研究成果  79-80

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 真空电子技术 > 微波电子管 > 速调管
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