行波管单周期粒子模拟理论及非线性现象研究

[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，主要问题是对行波管内部的基本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，和互作用过程中振荡、谐波、相位失真等非线性现象产生的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、效率和稳定性。.[研究内容]：本项目拟发展行波管粒子模拟（PIC）理论；利用粒子模拟方法跟踪单个周期内电子的运动；利用滑动窗时域有限差分法（MWFDTD）计算电磁波的传播与激励；建立行波管中振荡、谐波、相位失真等非线性问题的物理模型，解释其物理机理并提出抑制方法。 2100433B

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

[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。