行波管时域非线性理论及相位失真的物理机制研究

[研究意义]:行波管由于可以工作在倍频程以上，且具有能够同时兼顾带宽和功率等特点，从而成为应用最广泛的真空电子器件，是当前真空电子器件领域中研究与发展最活跃的一类器件。目前在行波管研制和生产中，存在的主要问题是设计能力较弱，研制周期较长，主要原因是对行波管内部的基础物理过程理解不够深入和系统，受到设计手段的制约。为解决这些问题并进一步提高行波管的性能，须深入研究行波管中基本的注波互作用过程，和互作用过程中相位失真、振荡、谐波、噪声等的产生原因及相应的抑制理论和技术以进一步提高行波管的功率、带宽和效率。.[研究内容]:本项目拟发展行波管时域非线性理论模型；建立单结构周期空间电荷力模型，采用粒子模拟方法计算空间电荷力；利用行波管时域非线性理论，获取行波管中相位失真随时间演变的物理图像，结合行波管频域稳态理论模型，建立相位失真的物理模型，解释相位失真产生的物理机制，提出抑制相位失真的方法。 2100433B

[研究意义]：空间行波管作为综合性能要求最高的一类行波管，是空间各类卫星的核心部件，且占用卫星上80%-90%的能量，高效率是空间行波管的一项关键指标。目前在空间行波管研制和生产中，存在的主要问题是设计能力较弱，管子性能与国外相比较低，主要原因是对空间行波管内部的基础物理过程理解不够深入和系统。为解决这些问题并进一步提高管子性能，须深入研究空间行波管中基本的电子注与电磁波非线性互作用过程。.[研究内容]：本项目拟发展空间行波管单周期时域非线性理论模型；基于时域有限差分粒子模拟方法，建立适合于螺旋线慢波电路的单周期空间电荷力模型；利用空间行波管时域非线性理论，获取电子注与电磁波相互作用过程中，电磁波传播及电子注运动随时间演变的物理图像，为采用相速渐变和跳变技术提高电子效率提供理论支撑，建立空间行波管高电子效率模型，发展和完善提高空间行波管效率的技术方法。

空间行波管作为综合性能要求最高的一类行波管，是空间各类卫星的核心部件，且占用卫星上80%-90%的能量，高效率是空间行波管的一项关键指标。 本项目在空间行波管一/三维场论非线性注波互作用理论方面进行了深入的研究，建立了前向波、返波、反射波等多种类型电磁场与粒子相互作用的理论模型，全面深入的理解注波互作用自洽能量交换过程，提出了适用于各类行波管的通用注波互作用理论。 基于上述提出的空间行波管非线性理论模型，研制了数值模拟软件，深入分析了各类非线性因素的产生机理，提出了空间行波管高效率互作用分布快速设计方法，在此基础上通过螺距凹坑抑制二次谐波激励，通过合理的衰减器及螺距跳变渐变分布抑制返波振荡，通过输出位置指数渐变抑制相位失真及AM/PM转换等非线性指标参量。 提出了高效率多目标优化算法，采用全局和局部多变量优化算法相结合的方法，并融合注波互作用顺序计算过程，采用过程优化算法，实现了高效率注波互作用的快速设计优化，极大的提高了优化速度。 本项目实施过程中，在IEEE Transactions等国际期刊和本领域重要的国际会议(IVEC等)上发表论文34篇，其中SCI论文10篇(包括电真空领域国际顶级期刊IEEE Trans. Electron Devices，IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques等)，EI论文24篇。申请国家发明专利10项，其中已授权3项，获得国家版权局计算机软件著作权13项，获得2013年教育部科技进步一等奖1项，培养博士研究生4名，硕士研究生6名，项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。 2100433B