行波管是一种高增益、宽频带、高效率、大功率的微波功率放大器件,广泛应用于通信、雷达、电子对抗等现代军事电子装备中。研究表明,在微波器件中填充背景等离子体后,其性能将得到显著改善。在同样的输入条件下,带宽、互作用效率、功率和增益都有显著增加,并且可以降低或省去外部聚焦磁场。本文对一只等离子体填充的S波段耦合腔行波管注-波互作用大信号特性进行了分析讨论。一、讨论了等离子体-腔混合模的形成以及“冷”带宽和“热”带宽的展宽效应。在等离子体填充的耦合腔行波管中,当填充的等离子体密度达到或超过一定值后,腔模和周期不均匀波导的等离子体模相互重叠而耦合出等离子体-腔混合模式。工作在等离子体-腔混合模式下的耦合腔行波管,工作特性大大优于真空时的情况,且可以调整某一电子注参量,使其空间电荷波的曲线与某一混合模式的相切部分变大,而不仅仅是相交于一点,因而大大改善了其热带宽效应;同时工作于混合模式时,其耦合阻抗比真空时提高了3～5倍,因此在填充等离子体后,耦合腔链的慢波特性得到了显著的改善。二、用模式展开的方法分析了等离子体-腔混合模耦合腔行波管的非线性注-波互作用过程,导出了其考虑相对论效应的非线性注-波互作用的自洽工作方程组。包括:激发方程、运动方程、电子流复振幅方程。此方程组即为研究注波互作用非线性特性的基本方程组。三、用分离变量法推导了真空和磁化等离子体填充盘荷波导的空间电荷场的静电位方程,并借鉴田炳耕的荷电圆盘模型,用格林函数法求解出空间电荷场。由于等离子体各向异性的性质,它满足普遍的静电位方程,文中给出了此普遍静电位方程的详细解法。研究发现电子通道填充背景等离子体后,其空间电荷场与真空中有本质差别,真空中的空间电荷场呈指数衰减趋势,而填充背景等离子体的空间电荷场具有相反的结果。四、四采用四阶Runge-Kutta算法,用MATLAB编程实现了其大信号特性的仿真。在填充等离子体后效率达到35%以上,比真空中耦合腔行波管的效率有很大的提高。同时比较分析了真空中和等离子体填充时空间电荷场对饱和位置、效率、功率、增益的影响。发现等离子体填充时考虑了空间电荷场时效率增加而且饱和位置提前;而在真空中考虑空间电荷场比不考虑空间电荷场时的饱和位置推后,饱和值下降。两个现象正好相反是一个本质差别。最后分析了输入功率和等离子体密度对注-波互作用大信号特性的影响。结果表明,输入功率对输出功率的影响不大而等离子体密度增加则效率增加,但到一定值后再继续增加密度输出效率反而降低。这是因为随着ω_p增加,2阶混合模式和3阶混合模式重叠的频率范围逐渐加大,稳定工作区变窄,在输入频率不变的情况下远离了最佳注波同步条件因而效率反而降低。