0.22THz回旋管渐变输出结构的研究.pdf

摘要
回旋管是一类基于电子回旋谐振受激辐射机理的快波器件，工作频率范围宽，
特别是在毫米和亚毫米波段，能产生高脉冲峰值功率与连续波功率。对于等离子
体加热、先进加速器、雷达、通讯及电子对抗、微波武器等领域有很大应用价值，
受到了世界各国的高度重视。
近年来 THz 技术是国际学术界的研究热点，其中 THz 辐射源是研究的重点之
一。由于 THz 波段处于毫米波与红外线之间，THz 辐射的产生困难很大，目前 THz
源的输出功率大多在毫瓦数量级，对于雷达、远距离探测等重要应用，需要瓦级
以上的大功率 THz 辐射源，回旋管是目前唯一可在 THz 波段实现大功率输出的器
件，其输出功率可达千瓦量级。但是频率越高,回旋管输出模式的纯度、功率就越
难得到保证。因此一个良好的传输系统对于频率较高 THz 回旋管来说尤为重要，
本论文着力于减少杂模激励，提高模式纯度和传输效率，设计了工作频率为
，传输主模为 TE03 的回旋管渐变输出段，使回旋管输出能够达到当初的设
计要求。
回旋管渐变输出结构其实是一个介于输出腔和输出窗之间的一个渐变圆波
导。与其它器件传输系统的高过模渐变截面波导相比，一般的回旋管渐变输出结
构设计主要的难点为：
1. 在渐变结构的输入端，工作频率非常接近于截止频率。输入端的反射同向前、
向后散射模一样，都必须考虑进去。
2. 在传统的电子回旋管中，电子束收集器一般作为输出波导来用，收集器的半
径和输出腔的半径之比 R2/R1 非常大，导致管中会激起非常强烈的杂模。
3. 回旋管中的工作模是高次模，它与相邻的更高次模和低次模发生耦合（圆对
称结构），TEmp 模在 m>0 的情况下，不仅会与 TEmq 模发生耦合，还会激起 TMmq
模。
本论文首先用驻波场展开法将麦克斯韦方程组转换为耦合波方程组，推导了
了耦合波方程组中的一个非常重要的参数（耦合系数）的各种情况下的表达式。
然后在耦合波方程的基础上推到了一般渐变波导的设计理论，并且根据此理论和
设计参数设计了上升余弦、Dolph-Chebychev 渐变波导、改进的 Dolph-Chebychev
渐变波导、Parabolic、上升正弦五种渐变波导的轮廓。最后用耦合波方程组数值解
I
法和散射矩阵法两种数值分析方法分析了上述五种渐变波导的传输性能，并将所
得到的结果与高频电磁仿真软件 的仿真结果进行对比，两者基本吻合。
并且发现长为 改进的 Dolph-Chebychev 渐变波导作为 回旋管
简便输出结构具有最佳的传输性能。
关键词: 上升余弦渐变波导， Dolph-Chebychve 渐变波导，上升正弦渐变波导，
parabolic 渐变波导，数值解法

























II
ABSTRACT
The fast wave device gyrotron is base on the radiation theory which is excitated by
electrons cyclotron resonance. Its frequency is very high especially at the millimeter and
sub-millimeter wave band. And it can produce high output power in pulse and
continuum wave. It can be used in plasma heating, accelerator, radar, communication,
electron rivalry , microwave weapon and so on .
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