1、回旋管是一類具有重要發(fā)展前景的毫米波器件，能在毫米波及亞毫米波波段產(chǎn)生高功率、高效率和高增益，性能穩(wěn)定，有一定的帶寬，廣泛應用在高功率雷達、電子對抗、微波武器、通信等領域，是目前電真空器件的熱點研究對象之一。
　　回旋管的注波互作用情況決定了回旋類器件的電子效率和主要的工作性能。是回旋類器件研究的關鍵內(nèi)容，也是目前研究最為廣泛的課題之一。各國學者開發(fā)了一系列可用于回旋管注波互作用的模擬與優(yōu)化設計程序。本論文在深入了解回旋管的研究現(xiàn)

2、狀、發(fā)展方向及應用前景的基礎上，對回旋管的注波互作用非線性理論進行了研究。主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.從基本的電磁場理論出發(fā)，推導出回旋管中電子注與高頻場相互作用的自洽非線性方程組，建立了回旋振蕩管、回旋速調(diào)管以及回旋行波管均適用的注波互作用自洽非線性理論模型。該模型采用簡化的電磁場描述方法，用波導中橫向電磁場的本征模式的疊加表示電磁場。相應地，將麥克斯韋方程組簡化為各模式電壓復振幅與電流復振幅關于時間和軸向坐標的耦合偏微分方

3、程組（即廣義電報方程），從而將電磁場的求解轉(zhuǎn)化為廣義電報方程的求解。各模式的場幅值隨時間緩慢變化，更新電磁場的基本時間量程僅與諧振腔的填充時間相聯(lián)系，因而允許比較長的時間間隔更新場。在此基礎上，為了能夠求解含有有限表面阻抗的電磁場，對廣義電報方程進行了擴展，給出了損耗邊界積分的處理方法，使廣義電報方程能夠計算損耗結(jié)構中的場。
　　2.電子運動方程采用引導中心近似。在引導中心坐標系下，引入兩種假設，其一是假設粒子穿過腔體的時間比電磁

4、場演變時間要短。根據(jù)這種假設，粒子在腔內(nèi)電磁場的輻射包絡發(fā)生大的改變之前離開腔體。這就允許我們在描述電子運動方程時，將軸向坐標作為獨立變量。而無需向 PIC粒子模擬方法那樣執(zhí)行耗時的粒子位置沿軸向網(wǎng)格的插值運算，從而減少計算時間。其二是假設軸向磁場很強。在這種假設下，拉莫爾半徑小于腔體特性長度，粒子沿磁場線運動。這兩種假設的引入可以對電子運動方程進行簡化，從而降低計算量。對激發(fā)電磁場的電流源，采用所有電子軌跡求和表示電流密度，根據(jù)電流源

5、的定義得到電流源方程。從回旋管電子注橫向速度滿足高斯分布出發(fā)，建立了速度零散的分布模型。該模型更準確的反映粒子的分布情況，使非線性理論的計算結(jié)果更有意義。
　　3.利用回旋管注波互作用自洽非線性理論模型，本文對一支Ka波段兩腔回旋速調(diào)管放大器的非線性特性進行了深入研究。分析了注波互作用中的能量變化，研究了輸入功率、電子注電壓、電流、工作磁場、橫縱速度比等工作參量對效率的影響。同時，應用粒子模擬軟件MAGIC對設計的Ka波段兩腔回旋

6、速調(diào)管放大器進行了模擬驗證，并對兩種方法計算的結(jié)果進行了對比分析。MAGIC粒子模擬結(jié)果與自洽非線性理論程序結(jié)果基本一致，從而驗證了回旋管注波互作用自洽非線性理論的正確性。在此基礎上，利用所建立的理論模型設計了一支Ka波段二次諧波三腔回旋速調(diào)管放大器，研究了該回旋速調(diào)管放大器的非線性過程及特點。通過分析其非線性特性，確定了該回旋速調(diào)管放大器的最佳工作參數(shù)。同時，利用粒子模擬軟件MAGIC進行大量的計算模擬，對設計的Ka波段二次諧波三腔回

7、旋速調(diào)管放大器進行了對比驗證。
　　4.利用回旋管注波互作用自洽非線性理論模型，針對復合腔回旋管的特性，研究了94GHz二次諧波復合腔回旋管。分析了不同工作參數(shù)對復合腔回旋管非線性特性的影響，并總結(jié)模擬結(jié)果給出一組最優(yōu)的參數(shù)。將優(yōu)化參數(shù)代入粒子模擬軟件MAGIC，對設計的復合腔回旋管進行了模擬驗證。
　　5.利用高頻軟件HFSS、粒子模擬軟件MAGIC和廣義電報方程，討論了漂移段內(nèi)和諧振腔內(nèi)損耗結(jié)構對回旋速調(diào)管和回旋行波管性