W波段带状注扩展互作用速调管放大器的理论研究与数值模拟

带状注扩展互作用速调管具有高峰值功率和高平均功率的特点,是一种具有广泛应用前景的电真空器件.基于电子流振荡理论,在小信号条件下推导了纵向模式为2π模的三间隙谐振腔的电子负载电导和电子负载电纳的表达式,分析了等离子体频率、间隙宽度和相邻间隙中心之间的距离等参数对电子负载电导和电子负载电纳的影响.根据理论分析结果,结合三维电磁仿真软件完成了一款工作于W波段的带状注扩展互作用速调管放大器的模拟设计.电子注横截面尺寸为4 mm×0.32 mm时,在工作电压为19.5 k V,电流为3.5 A,输入功率为1 W,轴向引导磁场为0.85 T的条件下,频率94.47 GHz处得到输出功率为5773 W,增益为37.6 d B,电子效率为8.46%, 3 d B带宽约140 MHz.     

Ka波段带状注相对论扩展互作用速调管放大器的分析与设计

带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件, 具有广阔的应用前景. 本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应, 推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导, 且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右, 多间隙结构有利于提高器件效率. 利用三维粒子仿真软件, 对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究, 采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应, 在电子束电压为500 kV, 束流为1 kA, 轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下, 器件输出微波功率为190 MW, 频率为40 GHz, 器件效率为38%, 器件增益为69 dB.     

W波段分布作用速调管的设计和实验研究

基于运动学理论、感应电流定理和电荷守恒定律,分析了分布作用谐振腔的渡越时间效应,推导了各个谐振腔工作于π模的电子注与微波之间的能量转换系数、电子负载电导和电子负载电纳,计算结果显示采用分布作用谐振腔有利于提高速调管的工作效率.利用三维电磁仿真软件,设计了一款工作于W波段的分布作用速调管.完成了速调管的加工和封接,搭建了测试平台,开展了相关实验研究.实验结果显示,当电子注电压20.8 kV,电流0.3 A,输入功率30 mW时,在中心频率95.37 GHz处,得到了175 W峰值脉冲输出功率,电子效率2.8%,增益34.6 dB, 3 dB带宽大于90 MHz.     

G波段扩展互作用速调管宽带注波互作用系统研究

扩展互作用速调管采用多间隙分布作用谐振腔和全金属平面结构,互作用电路短、单位长度增益高,其平面化结构特征与现代微加工工艺相兼容,已成为发展太赫兹高功率源的研究热点,进一步展宽扩展互作用速调管放大器的带宽成为拓展其应用的关键技术问题。设计了一种G波段5腔多间隙注波互作用电路,采用参差调谐技术扩展群聚段带宽和滤波器加载技术扩展输出段带宽,通过CST软件对结构参数优化和输出特性模拟仿真,结果表明:在电子注电压19 kV,电流300 mA,输入功率120 mW时,获得输出功率222 W,电子效率3.89%,增益32.67 dB,3 dB瞬时带宽达到了1.5 GHz。     

Ka波段分布作用速调管多间隙谐振腔研究

谐振腔作为速调管的高频互作用电路,其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。主要介绍了某Ka波段分布作用速调管谐振腔的设计过程:基于多间隙谐振腔理论,利用电磁仿真软件CST详细分析了谐振腔不同结构尺寸对特性参数,如品质因子、特性阻抗、耦合系数、有效特性阻抗的影响,优化得到谐振频率为35 GHz的五间隙谐振腔的物理结构模型,并给出互作用仿真结果,为Ka波段分布作用速调管设计及其高频注波互作用的计算提供重要的参考和依据。     

3 mm波段回旋速调管放大器设计与粒子模拟

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。     

双间隙耦合腔电子电导的理论与计算仿真

在速调管双间隙耦合谐振腔中,电子与每个间隙的电场相互作用进行能量交换,在两个间隙上体现出不同的电子负载效应.传统的电子电导计算模型,只能从整体上而无法在每个间隙上考虑这个效应.基于空间电荷波理论,建立了双间隙耦合腔中单个间隙电子电导的理论模型,推导出相应的计算公式.利用三维粒子模拟工具进行了仿真研究,理论计算与仿真结果相符.与传统的电子电导模型相比,该理论模型能反映出双间隙耦合腔中每个间隙的电子负载效应.利用该模型能更加深入和准确地进行间隙注波互作用的研究以及耦合腔中模式稳定性的分析. 关键词： 双间隙耦合腔 空间电荷波理论 电子电导 粒子模拟     

带状注速调管多间隙扩展互作用输出腔等效电路的研究

带状注扩展互作用速调管(SBEIK)结合了带状注速调管与扩展互作用速调管的优势,在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术潜力.本文提出了应用于SBEIK的五间隙哑铃型扩展互作用耦合腔输出回路的等效电路模型,获得了建立复杂多间隙扩展互作用腔的等效电路理论的方法.通过推导出的理论,快速确定了五间隙扩展互作用耦合腔的工作模式、谐振频率及间隙阻抗矩阵,由间隙阻抗的频率特性曲线快速估算出各模式对应的带宽,分析研究了耦合系数k以及Q e对于多间隙腔模式频率间隔及带宽的影响.此外,利用三维PIC仿真软件对相应的SBEIK五间隙输出腔高频特性进行了粒子模拟,结果表明,三维仿真获得的工作模式带宽特性与等效电路法计算结果基本一致,证明了本文所建立的等效电路方法的准确性和有效性.     

S波段多注相对论速调管的小信号理论

多注相对论速调管利用多注电子注并行工作,各电子注在传输过程中彼此独立,利于提高注波互作用效率,抑制杂模振荡。分析多注相对论速调管的小信号理论,从谐振腔内电场的场形函数出发确定了不同腔体结构的耦合系数的计算方法,得到了不同电子注形状、注数时的基波电流分量轴向变化过程,并进行模拟验证。结果表明:同轴谐振腔的间隙耦合系数要大于圆柱腔的间隙耦合系数,采用同轴谐振腔更有利于注波互作用;电子群聚过程与每注电子注的势能密切相关,提高电子注数目有助于得到更大的基波电流分量。在电子注电压600 kV、电流5 kA、间隙电压30 kV的条件下,输入腔后的基波电流分量达800 A。     

W波段扩展互作用速调管放大器的模拟与设计

扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的毫米波放大器,具有广阔的应用前景．本文基于电磁模拟软件和三维PIC模拟软件,对工作在W波段扩展互作用速调管放大器进行了设计和仿真．在电子注电压30kV,电流8A的条件下,器件的输出微波功率43kW,频率96．8GHz,增益49．3dB,效率18％．     

G波段500 W带状注扩展互作用速调管设计研究

针对太赫兹频段实现高功率面临物理机制上的难题，设计了一个G波段带状注速调管，展示了基于非相对论带状电子注和扩展互作用技术所能达到的功率水平以及影响性能的物理因素。文中设计基于电压24.5 kV、电流0.6 A，1 mm×0.15 mm的椭圆电子注，以及与之相匹配的互作用系统，即横向过尺寸哑铃型多间隙谐振腔，可以实现高功率和高增益。三维PIC仿真结果显示，在考虑实际腔体损耗的情况下，能够获得超过500 W的功率，电子效率和增益分别达到3.65%和38.2 dB。研究发现，输出功率和效率的提升很大程度上受到多间隙腔模式稳定性以及电路欧姆损耗的制约；输出腔的欧姆损耗对输出功率影响尤为显著，工程设计需要特别考虑。本文的研究为高频段带状注扩展互作用器件的研发打下了良好的基础。     

Electron conductance and mode stability in multi-gap coupled cavity m

根据空间电荷波小信号基础理论,建立了多间隙耦合腔中单个间隙电子电导的计算模型与模式稳定性分析模型.以3间隙耦合腔为例,推导出了各个间隙电子电导的计算公式.通过理论计算与仿真模拟,研究了3间隙耦合腔中各个模式的电子电导特性,并进行了间隙中注波互作用研究与模式稳定性分析.模型计算发现:各个间隙不同模式的电子电导不同,第3间隙内电子电导受注电压及间隙距离影响最大,对整个间隙内的注波互作用及电路稳定性的影响也最大.该模型还可以用于分布作用速调管注波互作用的计算模拟.     

多间隙耦合腔电子电导与模式稳定性

根据空间电荷波小信号基础理论,建立了多间隙耦合腔中单个间隙电子电导的计算模型与模式稳定性分析模型。以3间隙耦合腔为例,推导出了各个间隙电子电导的计算公式。通过理论计算与仿真模拟,研究了3间隙耦合腔中各个模式的电子电导特性,并进行了间隙中注波互作用研究与模式稳定性分析。模型计算发现:各个间隙不同模式的电子电导不同,第3间隙内电子电导受注电压及间隙距离影响最大,对整个间隙内的注波互作用及电路稳定性的影响也最大。该模型还可以用于分布作用速调管注波互作用的计算模拟。     

回旋速调管注波互作用瞬态非线性理论与模型研究

本文利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程.探讨了调制腔、中间腔、和输出腔中注-波互作用的模型和研究方法,考虑了电子速度零散对注-波互作用的影响.最后利用FORTRAN语言给出并分析了一支Kα波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,经与实验值和PIC模拟结果相比较,三者较为符合. 关键词： 回旋速调管 电子注-波互作用 瞬态非线性理论     

高次模式同轴多间隙腔激励特性研究

提出了一种工作在TM₅₁-2π模式的Ka波段同轴多间隙谐振腔，使用CST本征模求解器研究了此结构的电场分布特性，并分析了基于外侧全通的耦合方式下该结构的冷腔模式特性。在此基础上，通过结合空间电荷波理论和CST三维粒子仿真分析，研究了在多电子注激励下同轴多间隙腔高次模式的起振特性，并分析了此种结构的模式稳定性与注-波互作用特性。研究结果表明:对于工作在Ka波段的TM₅₁-2π模式同轴多间隙腔，采取结构外侧全耦合的方式具有较高的模式稳定性；在此结构中，多电子注不仅会均匀激励起工作模式，也可能非均匀激励起竞争模式；不同于工作在基模的扩展互作用速调管，此种结构的速调管电场极值是分别建立的，因此激励电子注可放置在不同相位的电场极值处；在保持电子注电压、总电流不变的情况下，采取更多电子注的激励方式，需要更小的聚焦磁场。     

S波段多注相对论速调管放大器的数值模拟

利用3维电磁场与粒子模拟软件对S波段多注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定腔体的冷腔高频特性,采用3维的粒子模拟软件（PIC）模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:通过引入同轴谐振腔结构,使电子注不必集中在谐振腔中心通过,降低了电场不均性对束波互作用的不利影响;通过引入多电子注,电子在相对较低的轴向聚焦磁场下依然拥有较高的通过率,降低了速调管对聚焦磁场的要求。模拟中采用3个同轴谐振腔进行束波互作用,在输入电压700 kV、束流5.8 kA和聚焦磁场0.4 T的情况下,得到了功率1.4 GW的输出微波,效率为35%。     

Ka波段扩展互作用速调管的设计

利用粒子模拟(PIC)三维软件,在Ka波段,采用扩展互作用谐振腔技术和谐振腔加载技术来实现高增益和宽频带,对扩展互作用速调管进行了设计和粒子模拟仿真,同时采用二维电子光学软件EGUN对电子枪和聚焦系统进行了设计和优化,聚焦系统使用的是钐钴永磁聚焦。在工作电压9 kV,束流0.15 A的条件下,输入功率为200 mW时,中心频率35.5 GHz,3 dB带宽为410 MHz,最小增益为32.5 dB,得到效率为26%,其平均功率为355 W。     

8 mm二次谐波回旋速调管谐振腔设计研究

 结合回旋速调管研究的相关理论，考虑到高次谐波工作时带来的模式竞争，以及注-波互作用的耦合关系，讨论了在半径、腔长、杂模抑制以及腔内媒质涂层的介电参量等诸多因数影响的情况下，如何设计二次谐波回旋速调管谐振腔的问题。结合设计方法建模，优化设计出了5个适于8 mm二次谐波工作的谐振腔，通过漂移段连接成两种高频结构，其中一种结构在注-波互作用非线性模拟中取得了251 kW的输出功率，电子效率 23.9%，增益 27.2 dB，3 dB带宽大于0.4%；另一种结构初步取得了246 kW的输出功率，其它参数正在测试之中。     

Ku波段扩展互作用速调管设计

 微波电真空器件随着频率的升高,不但聚焦系统难以实现,而且其输出增益和带宽都受到很大的限制,要解决该问题,建议采用扩展互作用速调管,采用分布作用谐振腔技术来扩展其工作带宽和提高增益。利用CST和粒子模拟(PIC)3维软件对其工作在Ku波段扩展互作用速调管进行了设计和仿真,在工作电压30 kV、束流8.5 A的条件下,聚焦系统采用幅值为0.48 T的周期反转永磁聚焦,在输入功率为5.1 W时,得到效率为23%,3 dB带宽为306 MHz,频带内最大增益为39 dB,其峰值功率为58 kW的微波输出。     

L波段高功率多注速调管设计与模拟

 开展了峰值功率10 MW、平均功率150kW的L波段多注速调管的研究工作。采用均匀场多透镜聚焦系统对多电子注进行聚焦,获得了具有良好层流性和波动性的旁轴多注电子光学系统;采用二次谐波腔,对6个电子注、6个同轴谐振腔结构的速调管进行了注波互作用计算。结果表明,当电子注电压为115 kV,电流为132 A时,可获得大于10 MW的脉冲输出功率,大于65%的输出效率和大于45 dB的增益。