【摘 要】
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相对论返波振荡器因高效率、高功率等特点常常作为多频高功率微波源。传统的相对论返波振荡器主要工作模式为TM01模,而TM01模式电磁波的辐射方向图是一个空心圆锥,微波能量分散,能量往往不能被有效的利用。实际工程中,为了提高微波的传输效率,通常需要使用模式转换器将TM01模式转换为其他模式以方便微波辐射。但是,使用模式转换器往往也会带来系统整体尺寸过大或者输入输出不同轴等问题。本文设计了一种能够直接输
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相对论返波振荡器因高效率、高功率等特点常常作为多频高功率微波源。传统的相对论返波振荡器主要工作模式为TM01模,而TM01模式电磁波的辐射方向图是一个空心圆锥,微波能量分散,能量往往不能被有效的利用。实际工程中,为了提高微波的传输效率,通常需要使用模式转换器将TM01模式转换为其他模式以方便微波辐射。但是,使用模式转换器往往也会带来系统整体尺寸过大或者输入输出不同轴等问题。本文设计了一种能够直接输出多频TE11模式电磁波的相对论返波振荡器。利用相对论返波振荡器的返波工作特性,即波的传播方向和电子束运动相反,采用一种单折双向螺旋布拉格结构将向后传播的TM01模式电磁波反射成的TE11模式的前向波。而这种单折双向螺旋布拉格结构既能作为一个稳定的相对论返波管的振荡器,产生稳定的高功率微波,又能作为布拉格反射腔,将TM模式的电磁波耦合为TE模式的电磁波,从而实现多频高功率TE11模式电磁波输出。本论文的主要研究工作体现在以下几个方面:1、给出了相对论返波振荡器三个基本方程,讨论了慢波结构的色散关系和耦合阻抗。详细的对相对论返波振荡器输出微波频率的影响因素进行分析,归纳总结了TM01-TE11模式转换器的研究现状,提出布拉格结构可以作为模式转换器。2、给出了螺纹布拉格结构的耦合波方程和色散方程,提出了一种单折双向螺旋布拉格结构,并对该结构的TM01-TE11反射（转换）系数进行数值计算和仿真研究。3、介绍了几种常见的研究高功率器件的方法,然后通过CHIPIC-3D粒子模拟软件设计了一种带模式转换的双频相对论返波振荡器,器件在电子束束压为600k V,电流为8.2k A,轴向引导磁场为2.5T的条件下,能够辐射TE11模式的双频高功率电磁波,双频频率分别为C波段7.5GHz和X波段10.2GHz,输出功率峰值约为1.15GW,辐射功率平均值约410MW。4、对带模式转换的双频相对论返波振荡器进一步研究,并对两段慢波结构的独立性进行研究。
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