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相对论返波振荡器是发展较成熟的振荡器型高功率微波源之一,具有高功率、高效率以及适合重频运行等特点,在国防和工业领域有着广泛的应用前景。频率可调谐是相对论返波振荡器的重要发展方向之一,相关研究取得了较大进展,但存在调谐带宽窄、调谐方式复杂等不足。本文研究了一种跨X、Ku波段调频相对论返波振荡器,仅改变内导体的长度即可实现跨波段微波输出,在各波段内均有一定的调节带宽,调节方式简单易行。论文的研究内容包括以下几个方面:首先,对同轴慢波结构跨波段调频机理进行了系统的研究。利用电磁软件仿真与数值求解两种方法求解了同轴、空心慢波结构的色散曲线,通过合理选择电子束与慢波结构参数,选用不同的工作模式,可以将工作频率选择在不同的波段,阐明了跨波段调频的机理。设计了跨三波段调频冷腔电磁结构,仅通过增删内导体,实现了跨C、X、Ku波段调频,验证了实现跨波段调频的可行性。考虑到在线调频实现的可行性,重点研究了跨X、Ku波段调频冷腔电磁结构的高频特性:通过横向模式选择,选择工作模式为同轴TM01模(Ku波段)、空心TM01模(X波段);通过纵向模式选择,采用同轴提取结构,提高工作模式的品质因子,可在慢波结构较短的情况下提高束波作用效率。其次,利用粒子模拟方法对器件跨波段调频机制进行了深入研究。着重分析了内导体长度和频率调节特性之间的关系:内导体长度在0-8.4cm范围内改变时,微波频率在10.55-10.64GHz(X波段)范围内可调,3dB调谐带宽约1%;内导体长度在8.5-11.7cm范围内改变时,微波频率在12.51-12.62GHz(Ku波段)范围内可调,3d B调谐带宽约1%。仅改变内导体的长度,在二极管电压680k V、电流12.8k A、导引磁场4T的条件下,得到典型模拟结果:同轴结构,输出微波频率12.58GHz(Ku波段)、功率2.25GW、效率25.9%;空心结构,输出微波频率10.61GHz(X波段)、功率2.20GW、效率25.3%。基于此,改变内导体以外的参数,进一步提高束波作用效率,优化后的结果为:同轴结构,输出微波频率12.09GHz、功率2.67GW、效率41.5%;空心结构,输出微波频率9.92GHz、功率3.02GW、效率34.5%。探讨了器件低磁场条件下工作的可行性,结果表明在不影响器件工作性能时,导引磁场可以降低到约2T。最后,利用高频场仿真软件对跨X、Ku波段辐射系统进行了初步设计。传输系统采用两排、每排12根支撑杆,对10.61GHz和12.58GHz两个频点的传输系数大于0.810。针对上述两个频点,设计了模式转换器及喇叭天线,实现了TEM模至TM01模的转换,辐射效率大于99.2%。