虚阴极振荡器是一种重要的高功率微波器件,具有结构简单、频率易调、束流质量要求低等特点;但是也存在微波产生效率低、主频不稳、频带较宽、多种模式并存等缺点。本文研究了新型准光腔型自反馈虚阴极振荡器的一种结构。准光学谐振腔为虚阴极振荡提供自恰的反馈及选频机制,在提高束波作用能量转换效率的同时,缩短起振时间和饱和时间、稳定输出频率并保持虚阴极振荡器的原有优点,并能以高斯波束的形式辐射微波,具有较好的方向性。 论文首先通过对谐振腔系统的分析,求解了满足系统边界条件的傍轴波动方程,得到了腔场的分布、谐振频率、束波能量等一系列的谐振腔系统特性。理论分析的结果表明,在这种结构的谐振腔内,电磁场是类似于高斯分布的本征场。场分布在中心处最强,纵向分量沿轴向呈周期性振荡,径向分量沿横向迅速衰减。这样分布的电场能够与反射电子和虚阴极本身高频振荡激励起来的电磁场有效耦合,辐射高功率微波。同时,作为一种高Q值的谐振腔,球面镜具有对电磁波的反射和汇聚作用,可以提供一种强烈而自恰的轴向反馈机制,进一步调制虚阴极振荡,提高束波作用能量转换效率。同时,谐振腔具有的选频特性还可以加强辐射微波的频率稳定性。 通过对C波段的准光腔型虚阴极振荡器的粒子模拟研究和理论分析研究,选取了器件的参数。输出面辐射出的微波平均功率为1.17GW,峰值功率达2GW以上;束波作用转换的平均效率为8.8%;,峰值效率达15%以上;并且,辐射的微波模式为TEM₁₁₆准高斯模式;频率单一稳定,f=5GHz;3dB带宽为0.5GHz。通过分析和比较,腔内电磁场的理论分析结果与模拟结果一致。 同时,在采用实心束注入谐振腔的基础上,对环型束注入谐振腔也进行了一些模拟研究。通过粒子模拟得到辐射出的微波平均功率为860MW,峰值功率达1.6GW以上;束波作用转换的平均效率为6.6%;,峰值效率达12%以上;辐射的微波模式为TEM₁₁₆准高斯模式;频率单一稳定,f=4.8GHz。