220 GHz三级串联交错双栅慢波结构

提出了一种220 GHz三级串联的交错双栅行波管结构,针对影响整体传输性能的核心部件输入输出耦合器进行了详细分析,并以此为基础设计了串联交错双栅慢波结构。通过数值模拟分析,确定了一种由齿深渐变光栅和半圆同心弯头组成的新型输出输入耦合结构。整管粒子仿真结果显示慢波结构内部没有出现振荡现象,且在220 GHz达到了30 dB增益,3 dB带宽达到23 GHz,有效改善了该类串联结构由于多个电子注加载通道造成的行波管传输特性下降问题。     

220GHz三级串联交错双栅慢波结构

提出了一种220 GHz三级串联的交错双栅行波管结构,针对影响整体传输性能的核心部件——输入输出耦合器进行了详细分析,并以此为基础设计了串联交错双栅慢波结构。通过数值模拟分析,确定了一种由齿深渐变光栅和半圆同心弯头组成的新型输出输入耦合结构。整管粒子仿真结果显示慢波结构内部没有出现振荡现象,且在220GHz达到了30dB增益,3dB带宽达到23GHz,有效改善了该类串联结构由于多个电子注加载通道造成的行波管传输特性下降问题。     

具有任意槽的矩形波导栅慢波结构高频特性的研究

将任意形状槽的连续轮廓近似用一系列相连的矩形阶梯近似，利用各阶梯面上导纳的匹配，以及槽与互作用区边界场的连续与匹配条件，获得了具有任意槽的矩形波导栅慢波结构的色散方程和耦合阻抗的表达式，并进行理论上的验证.加工制作了矩形槽波导栅模型，冷测表明理论值与测量值相吻合.分别求解几种特殊槽形矩形波导栅慢波结构的色散特性及耦合阻抗，其中，三角形结构的色散和耦合阻抗均最弱，而倒梯形结构色散最强，耦合阻抗最大. 关键词： 矩形波导栅 任意槽 色散特性 慢波结构     

基于场匹配法的双排矩形栅慢波结构高频特性研究

本文运用场匹配法对具有任意位错的双排矩形栅慢波结构的场分布、色散特性及耦合阻抗进行了研究．研究结果表明,场匹配法推导的色散特性与仿真软件CST和HFSS计算的结果完全一致,耦合阻抗介于CST和HFSS之间．在此基础上,详细研究了上下两排系统之间位错对色散特性及耦合阻抗的影响．当位错严格为半个周期时,第一阻带消失,第一个模式最高截止频率与第二个模式最低截止频率重叠,发生简并;当位错为0．45倍周期时,在保证耦合阻抗不变的情况下,基模的通带虽降低了2．8GHz,但阻带却增大了7．9GHz,从而可以有效避免简并及模式竞争的发生．     

W波段交错双栅返波振荡器高频系统

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器,设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件,该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法,在电流12 mA时通过调节工作电压,在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出,信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好,谐波分量小。     

W波段交错双栅返波振荡器高频系统

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器,设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件,该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法,在电流12 mA时通过调节工作电压,在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出,信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好,谐波分量小。     

同轴交错圆盘加载波导慢波结构高频特性的研究

采用多导体传输线分析方法, 对同轴交错圆盘加载波导慢波结构进行了理论分析, 得到了这种慢波结构的色散方程; 利用该色散方程, 得到的色散特性与HFSS仿真软件模拟结果符合良好. 分析了结构参数的变化对同轴交错圆盘加载波导慢波结构的色散特性影响. 结果表明: 增加内径和减小慢波结构的单位周期长度可以拓展慢波结构的带宽. 对同轴圆盘加载波导和同轴交错圆盘加载波导两种慢波结构的色散特性进行了比较, 结果表明: 采用圆盘交错加载方式可以减弱色散, 拓展带宽. 研究结果对同轴交错圆盘加载波导在毫米波行波管中的应用具有指导意义. 关键词： 行波管 同轴交错圆盘加载波导 慢波结构 色散特性     

螺旋线慢波结构高频特性的简化模拟方法

 利用3D电磁仿真软件HFSS中的Master/Slaver边界条件,基于螺旋线慢波结构的角向周期性,提出了一种改进的高频特性仿真方法。将具有3根夹持杆的螺旋线慢波结构的仿真模型从1个螺距的长度缩小到了1/3个螺距。仿真结果表明：采用改进后的模型,计算所得的相关高频特性参数与改进前传统模型所得结果基本一致,但是运算时间减少了至少3/4,且频率越高,计算时间上面的优势越大。     

螺旋线慢波结构高频特性的简化模拟方法

利用3D电磁仿真软件HFSS中的Master/Slaver边界条件,基于螺旋线慢波结构的角向周期性,提出了一种改进的高频特性仿真方法。将具有3根夹持杆的螺旋线慢波结构的仿真模型从1个螺距的长度缩小到了1/3个螺距。仿真结果表明：采用改进后的模型,计算所得的相关高频特性参数与改进前传统模型所得结果基本一致,但是运算时间减少了至少3/4,且频率越高,计算时间上面的优势越大。     

螺旋慢波电路高频特性的三维计算模拟

使用MAFIA软件对螺旋慢波线高频特性进行计算模拟,避免解析理论中的假设处理,提高了计算精度,与实验测试值相比色散特性的平均模拟误差为1%左右,耦合阻抗的平均误差为0.2%左右;并对不同建模方法下的不同模拟方法在计算时间和精度上作了比较,证明了准周期边界条件的模拟方法是一种在实际工程应用上同时满足精度与效率要求的模拟方法。     

正弦波导高频特性分析

对一种全金属慢波系统—–正弦波导的高频特性进行了理论分析.在用一系列相连矩形阶梯逼近余弦槽的基础上,对慢波结构进行了合理的区域划分,获得了各区域的场表达式.考虑槽区的高次驻波项,采用场匹配和导纳匹配相结合的方法,导出色散方程和耦合阻抗表达式.以应用于220 GHz行波管的正弦波导为例进行高频特性的数值求解,理论计算值与全三维电磁软件CST-MWS的仿真值符合良好.在此基础上,详细分析了尺寸参数变化对正弦波导高频特性的影响.     

渐变螺距螺旋线慢波系统高频特性的仿真分析

为实现渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的高精度估计,基于MAFIA仿真平台,研究了螺距变化对超宽带螺旋线慢波系统(4~18 GHz)的色散、互作用阻抗与衰减常数的影响,获得了各高频参数随螺距变化的规律。研究表明：相速几乎随螺距增大而线性变大,互作用阻抗与螺距是非线性的关系,衰减常数随螺距增大而非线性地减小;由于在维持电子注与电磁波速度同步的限制下,螺距变化的幅度不可能很大,因此可近似按线性关系来处理互作用阻抗及衰减常数与螺距之间的关系。由此提出了一种可精确计算渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的方法－线性插值法     

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。     

轴对称渐变型类周期慢波结构的色散特性

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意轴对称渐变型类周期慢波结构色散特性的方法。采用该方法编制了计算渐变型波纹波导和渐变型盘荷波导色散曲线的Matlab程序,详细分析并讨论了这两类典型渐变型类周期慢波结构的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件模拟结果的数据吻合度较高,验证了该数值算法的可靠性。另外,该方法具有较强的普适性和扩展性,也可退化到任意轴对称周期慢波结构色散特性的求解,为慢波结构的设计提供一种简单有效的途径。     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

 运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM_0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争从而提高器件效率、稳定产生微波频率。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。     

充空气的同轴慢波结构高功率微波器件粒子模拟

粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化。模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低。等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小。在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用。气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短。此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变。最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%。