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摘要
本文结合理论分析和数值模拟研究了TM02模过模结构相对论返波管的模式竞争机制。理论推导得到波纹波导中混合模式与圆波导中对应模式的近似关系，以近似模式作为波导输入来计算包含的高频结构S11参数曲线，分析各模式的品质因数。三维粒子模拟结果显示，当TM02模式的耦合阻抗优势明显时，束波作用点基本不受两端反射影响，输出的其他模式微波主要是由互作用模式转换而来；当耦合阻抗优势不明显时，品质因数的改变会影响束波相互作用，起振模式随之变化。各模式群速度接近时，谐振对工作模式的影响的实质是末端反射主导下的品质因数对模式的影响。品质因数和耦合阻抗对返波管工作模式的共同作用为在输出模式稳定的前提下优化输出功率、降低磁场提供了更大空间，使用多目标优化设计算法对相对论返波管进行优化，最终三维模拟得到的返波管输出功率达到534 MW，TM02模式输出功率占比94.95%。
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