螺旋线行波管注波互作用时域理论

研究了螺旋线行波管中电子注与高频场互作用的时域理论.电子对场的作用由高频场方程和空间电荷场方程模拟,场对电子注的作用由运动方程模拟.在螺旋导电面模型下利用安培环路定理和法拉第电磁感应定律得到了时域高频场方程.利用空间电荷波模型处理空间电荷场,得到了空间电荷场方程.将高频场和空间电荷场代入洛伦兹力方程,得到了运动方程.利用耦合阻抗处理高频场方程的激励源,使得高频场方程的求解能够借助诸如HFSS或HFCS等高频模拟软件来实现,增强了时域理论的灵活性.基于上述理论,编写软件数值模拟某螺旋线行波管,验证了时域理论的可行性.     

A three-dimensional time-dependent theory for helix traveling wave tubes in beam-wave interaction

This paper presents a three-dimensional time-dependent nonlinear theory of helix traveling wave tubes for beamwave interaction.The radio frequency electromagnetic fields are represented as the superposition of azimuthally symmetric waves in a vacuum sheath helix.Coupling impedance is introduced to the electromagnetic field equations’ stimulating sources,which makes the theory easier and more flexible to realize.The space charge fields are calculated by electron beam space-charge waves expressed as the superposition solutions of Helmholtz equations.The focusing forces due to either a solenoidal field or a periodic permanent magnetic field is also included.The dynamical equations of electrons are Lorentz equations associating with electromagnetic fields,focusing fields and space-charge fields.The numerically simulated results of a tube are presented.     

螺旋线行波管三维多频非线性理论分析和数值模拟

建立了螺旋线三维多频非线性互作用模型.通过场论的方法建立线路场方程,结合粒子模拟（PIC）方法和谐波展开法,建立三维空间电荷场模型.模拟了8—18GHz宽带行波管的基波和高次谐波,计算了AM-AM幅度失真和AM-PM相位失真,三次交调和五次交调分量.通过频率扫描得到的8—18GHz饱和输出功率和饱和增益,结果与热测结果接近,且饱和输出功率误差在1dB以内. 关键词： 注波互作用 三维 非线性 螺旋线行波管     

基于行波管螺旋导电面模型的空间电荷场研究

通过分析行波管螺旋导电面模型中的电磁场，给出了色散和耦合阻抗计算公式，并深入研究了非线性理论中的空间电荷降低因子.结果表明，螺旋导电面模型相对理想导电圆筒中的空间电荷降低因子在较高频段变化不大.空间电荷降低因子的变化反映了螺旋线外电磁场对电子注的作用，同样的慢波结构，较高频率的电磁场应有较大的影响.因此，使用螺旋导电面模型在较高频段计算空间电荷降低因子是不合适的. 关键词： 行波管 非线性 螺旋导电面 空间电荷降低因子 色散 耦合阻抗     

磁绝缘线振荡器中空间电荷的调制

 首次研究了磁绝缘线振荡器中射频场（包括辐射波场和空间电荷波场）对空间电荷的调制,得到了在饱和时谐波电流一阶分量的公式。这个公式表明：考虑空间电荷波时,在小信号和辐射波与空间电荷波同相的条件下,它将增强谐波电流。在大信号时,情况不确定;谐波电流一阶分量将随二极管上电压的增加而增加,随运行频率和饱和长度的增加而减少。     

等离子体填充带状螺旋线的色散方程

利用线性场理论和螺旋线的导带模型，对填充等离子体的带状螺旋线进行了严格的场分析.在给出各区域电磁场分量表达式的基础上，利用螺旋带的边界条件，导出了等离子填充带状螺旋线中电磁波传播的色散方程. 关键词： 等离子体 带状螺旋线 色散方程     

螺旋线行波管返波自激振荡的研究

 在2维小信号模型的基础上，分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响。研究结果表明：改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的， 而且不会改变基波的互作用条件。与此同时，对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化，以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究。优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据。     

螺旋线行波管1维多频非线性理论与模拟

 采用CHRISTINE报告中的1维多信号非线性互作用模型，在其场方程、相位方程和含空间电荷场的运动方程的表达式基础上，增加了切断区域的工作方程组，并考虑了电位下沉带来的影响。基于此非线性互作用工作方程组编写了数值计算程序。为了便于对行波管互作用进行模拟设计时选择最佳工作电压和输入功率，在程序中加入了扫描电压和输入功率的功能。对某行波管注波互作用过程进行了模拟，并分析了谐波和互调的影响。由于计算速度快,模拟结果较好，对螺旋线行波管的初步设计和验证具有较强的指导意义。     

螺旋坐标系下考虑厚度的螺旋线行波管小信号研究(英文)

采用螺旋坐标系对有限厚度的螺旋带行波管进行了注波互作用的线性理论分析,利用自洽场理论得出了此结构中引入电子注后的"热"色散方程,数值计算了其小信号增益,分析了电子注参数和螺旋线厚度对于螺旋线慢波系统的色散特性的影响。结果表明:螺旋线厚度的增加,行波管的小信号增益也会增加,且带宽也略有增加。该结论为高增益宽频带的螺旋线行波管放大器的设计提供了理论基础。     

等离子体填充圆柱波导中双流不稳定性的研究

 在无限大磁场情况下对等离子体填充圆柱波导中双电子注的相互作用进行了理论分析，得出行列式形式的色散方程。针对不同参数对色散方程进行数值计算，发现当两根电子注之间存在速度差时，通过快慢空间电荷波的相互作用，两电子注引起的双流不稳定性可以产生契伦柯夫辐射；当等离子体频率超过双注相互作用的频率范围后，可以大大加强和改善等离子体、两电子注三者之间的相互作用。     

紧凑型THz源的史密斯-帕塞尔辐射模拟

 采用模拟和数值计算的方法,研究了THz波段的受激史密斯-帕塞尔辐射特性。实验装置以“上海电子束离子阱”为原型,采用紧凑型设计以便最终实现其可移动性。束流动力学模拟表明,此装置采用强磁场,可以得到平均流强为0.2 A、束流半径为75 μm的高品质电子束,为电子束工作在自由电子激光模式下创造了条件。基于Andrews和 Brau的理论,优化了光栅参数,保证了辐射角度在60°。其中消散场的计算频率为0.365 9 THz。采用particle-in-cell(PIC)程序模拟了光栅表面的辐射场以及电子的动力学特性。模拟结果表明电子有群聚效应,且二次谐波（0.723 THz,约为消散频率的2倍）得到增强。采用后处理方法计算了史密斯-帕塞尔辐射的功率空间分布。计算显示辐射角度与理论角度相一致,表明了方法的有效性。输出的功率约为2 mW。     

考虑谐波互作用的行波管欧拉非线性理论模型

基于拉格朗日体系的考虑谐波互作用的理论模型,将离散的粒子近似处理为流体,得到电子相位的连续分布函数.对电子相位连续分布函数进行傅里叶一阶展开,并结合贝塞尔母函数关系式,建立了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型.应用考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型对一支L波段空间行波管和一支C波段空间行波管进行大信号分析,并与拉格朗日理论模型进行对比.结果表明:在增益1dB压缩点之前,考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型与拉格朗日理论模型十分符合,增益最大误差不超过4%.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型能够有效的对增益1 dB压缩点之前的谐波进行分析.仿真结果验证了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型的正确性和有效性.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论不但提供了一个谐波快速计算模型,而且为后续研究行波管谐波的产生机理与抑制方法奠定了基础.     

Exact density-functional potentials for time-dependent quasiparticles

We calculate the exact Kohn-Sham potential that describes, within time-dependent density-functional theory, the propagation of an electron quasiparticle wave packet of nonzero crystal momentum added to a ground-state model semiconductor. The potential is observed to have a highly nonlocal functional dependence on the charge density, in both space and time, giving rise to features entirely lacking in local or adiabatic approximations. The dependence of the nonequilibrium part of the Kohn-Sham electric field on the local current and charge density is identified as a key element of the correct Kohn-Sham functional.     

Wave Properties of A Free Elliptical Helix Slow-Wave Structure with Arbitrary Eccentricity

This paper gives the investigations of the fundamental wave of a free elliptical helix slow-wave structure (SWS) with arbitrary eccentricity. The wave properties including the phase velocity characteristics, interaction impedance and the longitudinal electric field distribution of this mode has been fully studied. It is found that, when the eccentricity increases, the interaction impedance and the operating frequency of such SWS will be improved, which allows to have a higher gain and operating in a higher frequency band. Furthermore, the field configuration is different from that of a round helix; the azimuthal distribution of the E-field follows with the angular Mathieu function of the first kind, even with mode of zero. In radial, E-field is elliptical surface wave. When the eccentricity tends to zero, all the characteristics will be smoothly degenerates to the case of round helix correspondingly.     

等离子体加载螺旋线行波管特性研究

利用线性场理论和螺旋线的导电面模型，推导了在强引导磁场下，等离子体加载螺旋线慢波结构的色散关系.数值计算了在不同的等离子体填充密度与填充半径条件下，螺旋线的色散特性、耦合阻抗和行波管的小信号增益.研究发现，在螺旋线中填充了等离子体以后，形成了一种新的混合模式，螺旋线的色散特性与耦合阻抗都发生了很大的变化，行波管的增益得到显著提高. 关键词： 螺旋线行波管 等离子体 混合模式     

Microwave propagation through modulated air plasma

When a microwave propagates through a plasma in which electron density and electron collision frequency periodically vary, the propagating wave is modulated in amplitude and phase. An approximate theory is derived to suit the laboratory experimental conditions. Introducing the amplitude and phase difference, the dependence of electron density and electron collision frequency has been derived for different radio frequency modulation and frequency parameter. A scanning double probe technique is used to measure the exact time variation in the plasma parameters at any fixed position during a single cycle of the applied field. Theoretical values agree with those of experiment.     

空间电荷和介质表面电荷对微放电演化过程的影响

微放电是制约航天器微波部件功率容量的主要瓶颈之一。以介质微波部件中典型的介质加载平行板波导为例,基于三维粒子模拟分别对仅考虑外加微波场（情况1）、考虑外加微波场和空间电荷（情况2）以及考虑外加微波场、空间电荷和介质表面电荷（情况3）三种情况下微放电演化过程中电子数目、瞬态二次电子发射系数、归一化反射波电压以及介质表面与上金属板之间的间隙电压随时间的变化进行了仿真,并给出了情况3电子分布和介质表面电荷密度随时间的变化过程。在此基础上,明确了空间电荷和介质表面电荷在微放电过程中所起的不同作用：即空间电荷会使微放电达到饱和状态,介质表面电荷则导致微放电饱和状态无法持续,最后自行熄灭。介质表面电荷导致了微放电过程中介质和金属瞬态二次电子发射系数下降速率不一致,归一化反射波电压幅度随时间变化的包络类似于“眼睛”形状、间隙电压类直流偏置、非对称电子能量分布等特殊现象。     

磁化等离子体填充螺旋线的色散方程

利用等离子体流体理论和纵向场分量法，结合螺旋线的导电面模型，对在有限磁场作用下，填充等离子体的螺旋线进行了严格的场分析. 在给出各区域电磁场分量表达式的基础上，利用螺旋线的边界条件，导出了磁化等离子体填充螺旋线中电磁波传播所满足的色散方程，并对所导出的色散方程进行了讨论. 关键词： 有限磁场 等离子体 螺旋线 色散方程     

X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计

为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流，其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下，同轴波导中的束流具有更高的动能，同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程，利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时，编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果，可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模，频率为7.67 GHz，峰值时间增长率较高，电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率，还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。