行波管注波互作用时域理论与通用非线性模拟技术研究.pdf

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文DOCTORALDISSERTATION（电子科技大学图标）论文题目行波管注波互作用时域理论与通用非线性模拟技术研究学科专业物理电子学学号200810402012作者姓名彭维峰指导教师杨中海教授万方数据分类号密级注1UDC学位论文行波管注波互作用时域理论与通用非线性模拟技术研究（题名和副题名）彭维峰（作者姓名）指导教师姓名杨中海教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别博士学科专业物理电子学提交论文日期2013.03论文答辩日期2013.05学位授予单位和

2、日期电子科技大学2013年6月28日答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。万方数据STUDYOFTIME-DEPENDENTTHEORIESANDGENERALIZEDNONLINEARSIMULATIONTECHNIQUESFORBEAMANDWAVEINTERACTIONINTRAVELINGWAVETUBESADoctorDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:PhysicalElectronicsAuthor:WeifengPengAdviso

3、r:Prof.ZhonghaiYangSchool:SchoolofPhysicalElectronics万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文

4、被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：万方数据日期：年月日万方数据摘要摘要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

5、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

6、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

7、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。I万方数据摘要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