行波管單周期粒子模擬理論及非線性現(xiàn)象研究

[研究意義]：行波管由于可以工作在倍頻程以上，且具有能夠同時兼顧帶寬和功率等特點，從而成為應(yīng)用最廣泛的真空電子器件，是當(dāng)前真空電子器件領(lǐng)域中研究與發(fā)展最活躍的一類器件。目前在行波管研制和生產(chǎn)中，存在的主要問題是設(shè)計能力較弱，研制周期較長，主要問題是對行波管內(nèi)部的基本物理過程理解不夠深入和系統(tǒng)，受到設(shè)計手段的制約。為解決這些問題并進一步提高行波管的性能，須深入研究行波管中基本的注波互作用過程，和互作用過程中振蕩、諧波、相位失真等非線性現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的抑制理論和技術(shù)，以進一步提高行波管的功率、帶寬、效率和穩(wěn)定性。.[研究內(nèi)容]：本項目擬發(fā)展行波管粒子模擬（PIC）理論；利用粒子模擬方法跟蹤單個周期內(nèi)電子的運動；利用滑動窗時域有限差分法（MWFDTD）計算電磁波的傳播與激勵；建立行波管中振蕩、諧波、相位失真等非線性問題的物理模型，解釋其物理機理并提出抑制方法。 2100433B

空間行波管作為綜合性能要求最高的一類行波管，是空間各類衛(wèi)星的核心部件，且占用衛(wèi)星上80%-90%的能量，高效率是空間行波管的一項關(guān)鍵指標(biāo)。 本項目在空間行波管一/三維場論非線性注波互作用理論方面進行了深入的研究，建立了前向波、返波、反射波等多種類型電磁場與粒子相互作用的理論模型，全面深入的理解注波互作用自洽能量交換過程，提出了適用于各類行波管的通用注波互作用理論。 基于上述提出的空間行波管非線性理論模型，研制了數(shù)值模擬軟件，深入分析了各類非線性因素的產(chǎn)生機理，提出了空間行波管高效率互作用分布快速設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上通過螺距凹坑抑制二次諧波激勵，通過合理的衰減器及螺距跳變漸變分布抑制返波振蕩，通過輸出位置指數(shù)漸變抑制相位失真及AM/PM轉(zhuǎn)換等非線性指標(biāo)參量。 提出了高效率多目標(biāo)優(yōu)化算法，采用全局和局部多變量優(yōu)化算法相結(jié)合的方法，并融合注波互作用順序計算過程，采用過程優(yōu)化算法，實現(xiàn)了高效率注波互作用的快速設(shè)計優(yōu)化，極大的提高了優(yōu)化速度。 本項目實施過程中，在IEEE Transactions等國際期刊和本領(lǐng)域重要的國際會議(IVEC等)上發(fā)表論文34篇，其中SCI論文10篇(包括電真空領(lǐng)域國際頂級期刊IEEE Trans. Electron Devices，IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques等)，EI論文24篇。申請國家發(fā)明專利10項，其中已授權(quán)3項，獲得國家版權(quán)局計算機軟件著作權(quán)13項，獲得2013年教育部科技進步一等獎1項，培養(yǎng)博士研究生4名，碩士研究生6名，項目組通過積極參與相關(guān)領(lǐng)域主流國際會議、邀請國外專家訪問等方式，與國外同行進行了深入的學(xué)術(shù)交流與合作。 2100433B

[研究意義]：空間行波管作為綜合性能要求最高的一類行波管，是空間各類衛(wèi)星的核心部件，且占用衛(wèi)星上80%-90%的能量，高效率是空間行波管的一項關(guān)鍵指標(biāo)。目前在空間行波管研制和生產(chǎn)中，存在的主要問題是設(shè)計能力較弱，管子性能與國外相比較低，主要原因是對空間行波管內(nèi)部的基礎(chǔ)物理過程理解不夠深入和系統(tǒng)。為解決這些問題并進一步提高管子性能，須深入研究空間行波管中基本的電子注與電磁波非線性互作用過程。.[研究內(nèi)容]：本項目擬發(fā)展空間行波管單周期時域非線性理論模型；基于時域有限差分粒子模擬方法，建立適合于螺旋線慢波電路的單周期空間電荷力模型；利用空間行波管時域非線性理論，獲取電子注與電磁波相互作用過程中，電磁波傳播及電子注運動隨時間演變的物理圖像，為采用相速漸變和跳變技術(shù)提高電子效率提供理論支撐，建立空間行波管高電子效率模型，發(fā)展和完善提高空間行波管效率的技術(shù)方法。