回旋行波管是一种非常重要的高功率毫米波器件,有宽频带、高功率和高益等优点,在毫米波雷达、通讯及电子对抗、微波武器等领域有着广泛的应用前景,因而在国际国内倍受重视。随着回旋行波管研制技术的不断发展,其输出功率越来越高,工作带宽越来越宽,工作频率也开始向太赫兹方向渗透。输出窗和收集极都是回旋管的重要部件,随着管子功率的增加,微波穿过输出窗所产生的耗散功率越大以及经过注波互作用后的回旋电子轰击收集极所产生的局部热量也就越多,这严重影响回旋管整管的效率以及使用寿命,因此对回旋行波管输出窗和大功率收集极设计提出了越来越高的要求。输出系统以及收集极的热性能直接影响输出窗的功率容量和收集极收集剩余电子的能力,所以对输出系统和收集极的热分析技术的研究有着重要的意义。本文主要内容包括以下几个方面:1.详细论述国内外回旋行波管输出窗和收集极热分析的研究情况和发展态势,对传热学、有限元法、绝热压缩理论等基本理论做了阐述,传热学理论是对输出窗热分析的基础,绝热压缩理论是研究收集极的基础。2.阐述了热分析方法中的的两类主要分析软件ANSYS Workbench和CST多物理场仿真的基础应用,对比国内传统热分析方法,阐述了HFSS关联ANSYS Workbench进行多物理场分析的优点以及难点。3.编写MATLAB程序对热分析的基本理论进行验证,利用HFSS电磁仿真软件分析输出窗的微波传输特性。再通过ANSYS Workbench软件对回旋行波管输出窗进行热分析,研究窗片的温度分布,并进一步研究输出窗温度分布对输出窗窗片热形变、功率容量、以及应力分布的影响。在此基础上对Ka波段圆波导输出窗进行优化,提高功率容量;并在Q波段提出一种回旋行波管宽带高平均功率输出窗,此种输出窗有较高的功率容量以及较低的窗片温度。4.利用CST设计工作室对输出窗进行微波仿真,分析窗片的微波传输特性,进一步利用CST软件进行热分析和热应力分析。5.针对传统的大功率收集极局部过热的问题,利用ANSYS Workbench对其结构进行优化,将圆柱型收集极改进为斜面收集极,提高收集极收集电子的密度。由于回旋管功率较高,注波互作用后的剩余电子还带有大量的能量降落至收集极,为了降低电子轰击收集极的耗散功率,在斜面收集极斜面段加入降压段,采用斜面降压收集极,降低电子轰击收集极的耗散功率,提高收集极的功率容量。6.利用CST粒子工作室模拟电子进入收集极的粒子轨迹,利用CST多物理场协同仿真,对斜面收集极和改进后的降压收集极进行热分析。首先对收集极S11,S21传输特性参数进行优化分析,最后对比分析斜面收集极与降压收集极受电子轰击所产生耗散功率和因电子轰击所产生的温升。