S波段磁绝缘线振荡器的理论研究

论文摘要

磁绝缘线振荡器(MILO)是一种吉瓦级同轴正交场器件，与线性磁控管相似。主要优点在于它的直流磁场是由管子内部电流提供，不需要外加磁场，使得MILO结构紧凑，重量轻，可以在低阻抗下工作。这种自绝缘特性使得它可以在输入非常高的电压(数百千伏)和电功率(数十吉瓦)下工作而阴阳极之间不产生击穿，因此MILO是一种很有吸引力的高功率微波源。本文从MILO的同轴慢波结构色散特性、谐振腔高频特性和粒子模拟三个方面对S波段MILO进行了研究。本论文的主要内容如下：一、对国内外MILO的总体研究进展进行了分析、综述。对MILO的工作原理进行了介绍。二、推导MILO无限长同轴慢波结构TM场的色散方程，通过编程计算研究了S波段MILO的色散关系，得出了慢波结构参数对器件频率影响的规律。三、通过模拟计算对S波段MILO的同轴慢波结构谐振腔、MILO的封闭腔和开放腔等高频特性也进行了研究。四、通过大量的粒子模拟，对S波段的MILO进行了优化设计，在输入电压450kV、总电流40.1kA的条件下，得到频率为2.42GHz、平均功率为1.80GW的微波输出，功率转换效率为10.0％。研究了S波段MILO中各参数对微波输出功率、微波频率和功率转换效率的影响，并在此基础上对三种改进型MILO进行了模拟和优化，使得在频率变化很小的情况下，起振时间都有所减小，输出功率和转换效率都得到了提高。第一种MILO结构在输入电压为450kV、总电流42.0kA的条件下输出微波平均功率为2.35GW，功率转换效率为12.4％，频率为2.41GHz；第二种MILO结构在输入电压为450kV、总电流41.8kA的条件下输出微波平均功率为2.20GW，功率转换效率为11.7％，频率为2.41GHz；第三种MILO结构在输入电压为450kV、总电流42.1kA的条件下输出微波平均功率为2.25GW，功率转换效率为11.9％，频率为2.41GHz。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高功率微波发展概况简介
• 1.2 磁绝缘线振荡器的工作原理
• 1.3 磁绝缘线振荡器中电子的运动
• 1.4 磁绝缘线振荡器的研究概况
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 磁绝缘线振荡器同轴慢波结构的色散特性研究
• 2.1 MILO同轴慢波结构TM场的色散方程的推导
• 2.2 数值计算结果及分析
• 第三章 S波段磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究
• 3.1 S波段MILO主慢波结构谐振腔的高频特性研究
• 3.1.1 主慢波结构谐振腔的模型
• 3.1.2 主慢波结构谐振腔 TM模的场分布
• 3.2 改进型S波段MILO封闭腔的计算
• 3.3 改进型S波段MILO开放腔的计算
• 第四章 S波段磁绝缘线振荡器的数值模拟和优化设计
• 4.1 粒子模拟方法简介
• 4.1.1 粒子模拟的基本概念
• 4.1.2 粒子模拟的基本思想
• 4.1.3 粒子模拟的基本步骤
• 4.1.4 粒子模拟的诊断
• 4.2 MILO模拟的基本假设
• 4.3 L波段MILO模型的验证
• 4.3.1 L波段MILO数值模拟
• 4.3.2 MILO工作模式判断
• 4.4 S波段MILO的数值模拟
• 4.5 S波段MILO各参数的影响
• 4.5.1 主慢波结构下阴极半径的影响
• 4.5.2 收集极内径的影响
• 4.5.3 阴极深入收集极长度的影响
• 4.5.4 主慢波叶片内径的影响
• 4.5.5 慢波周期的影响
• 4.5.6 慢波叶片厚度的影响
• 4.5.7 主慢波叶片个数的影响
• 4.5.8 阳极筒内径的影响
• 4.5.9 扼流叶片内径的影响
• 4.5.10 提取叶片内径的影响
• 4.5.11 提取间隙的影响
• 4.5.12 工作电压的影响
• 4.6 改进型S波段MILO的数值模拟
• 4.6.1 第一种MILO的模拟
• 4.6.2 第二种MILO的模拟
• 4.6.3 第三种MILO的模拟
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果