一种基于嵌套结构的锁频锁相高功率微波振荡器仿真研究

高功率微波（HPM）产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用,同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法,提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器（RKO）产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中,对电子束进行预调制,从而实现锁频锁相。另外,为实现内外高功率微波通道合成,设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点,功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差,使得功率合成效率提高,合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV,磁场强度0.6 T条件下,内外RKO的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW,频率差波动小于20 MHz,相位差稳定在10°附近;加载双通道功率合成器,仿真结果表明,微波输出功率为5.31 GW,功率效率32.2%。结果表明,嵌套器件在互锁状态时,振荡器饱和时间缩短,输出功率增大。     

内导体对相对论返波振荡器工作波段选择的影响

 设计了一种紧凑型、GW级同轴引出电子束相对论返波振荡器,利用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束 波作用的物理过程。模拟结果表明：当器件中使用内导体,在电子束能量700 keV,电子束流11 kA,导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.66 GW高功率微波输出,平均效率约为34%;去掉内导体时,能实现S波段1.88 GW单频微波输出,平均效率约为24%。同一个器件,仅通过装卸内导体就可以选择在两个波段实现GW级、高效微波输出,这对于高功率微波器件的设计有一定的参考意义。     

T形高功率微波功率合成器的初步实验研究

 初步实验研究一种新型插片式功率合成器,它具有结构紧凑、容易加工、功率容量高等优点。该器件通过在两个相互垂直的过模矩形波导中放置两组金属插板,来实现线极化高功率微波的双路非相干通道功率合成。在对该器件进行初步结构优化设计的基础上,对器件进行了初步实验研究。冷测实验结果表明：该器件在两个通道中均有效实现了单模传输,器件的反射损耗小于0.4 dB;热测实验结果表明：器件可以承受2 GW以上的高功率,功率容量满足需求。     

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。     

低功率驱动的高功率微波放大器实验研究

在器件设计上,针对低功率驱动的高功率微波放大器或高增益放大器中的高次模激励和自激振荡问题,采取了降低电子束同器件前端结构耦合等措施,来保证器件在工作区间完全处于放大状态,通过PIC模拟,设计了低功率驱动的S波段高功率微波放大器(电子束:流强7.5 kA,电子能量750 kV),注入微波6.8 kW时,模拟微波输出功率1.7 GW,增益53.9 dB.在Sinus加速器平台上开展了相应的实验研究: 注入微波62 kW时,微波输出功率达到2.04 GW(电子束:流强8 kA,电子能量800 kV), 输出频率 关键词： 高功率微波 微波器件 高增益 模式控制     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

一种新型结构低阻抗渡越辐射振荡器

 设计了一种不加栅网结构的低阻抗渡越辐射振荡器器件,器件阻抗为20 Ω左右,采用同轴输出,具有所需导引磁场小、起振时间较快等优点,可望工作在重频和长脉冲状态。PIC粒子模拟表明,在输入电压和电流分别为550 kV和27.6 kA、约束磁场为0.8 T的条件下,在S波段3.175 GHz得到了平均功率大约4.0 GW的微波输出,束-波转换效率为26.4%。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求,设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构,降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式;设计采用多腔多间隙群聚结构,降低了输入微波功率的需求,提高了器件放大增益;并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构,提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计,粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW,器件放大增益约为60 dB,功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV,电流5.1 kA的情况下,输出功率为0.99 GW,放大增益约为53 dB,转换效率约为35%。     

宽带相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种用于S波段、工作带宽10%的相对论速调管放大器结构。该宽带管采用多间隙输入腔、两个中间腔和重叠模双间隙输出腔来拓展相对论速调管放大器(RKA)群聚段和输出段的带宽, 模拟得到基波调制深度大于80%时, RKA群聚段和输出段的带宽分别为11%和15%。整管模拟时, 通过调节注入微波频率和功率, 得到最大功率1.58 GW、3 dB相对工作带宽10%、带内微波功率不小于1 GW的输出微波。     

kW级功率驱动的锁相高功率微波发生器

针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波,设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明,在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此,将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来,建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中,用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理,衰减电阻通过对反馈过程的控制,提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层,将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流,实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波,增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明:注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW),输出功率达到1.8 GW,增益为52.6 dB,90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°,实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。     

C波段新型渡越管模拟研究

 在三腔渡越管的基础上设计了一种工作在C 波段的新型低阻轴向六腔渡越管，其阻抗为15 Ω左右，采用同轴输出。该器件采用大面积发射阴极，无须外加磁场，结构简单紧凑。采用2.5维PIC软件对该器件进行了2维数值模拟，在输入电压为483 kV、电流为32.5 kA的条件下，输出微波平均功率达到3.0 GW，主频为3.75 GHz，微波模式为TEM模。微波功率效率大于19%，比普通低阻抗器件有明显提高。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。     

Investigation of an X-band magnetically insulated transmission line oscillator

An X-band magnetically insulated transmission line oscillator （MILO） is designed and investigated numerically and experimentally for the first time. The X-band MILO is optimized in detail with KARAT code. In simulation, the X-band MILO, driven by a 720 kV, 53 kA electron beam, comes to a nonlinear steady state in 4.0 ns. High-power microwaves （HPM） of TEM mode is generated with an average power of 4.1 GW, a frequency of 9.3 GHz, and power conversion efficiency of 10.870 in durations of 0-40 ns. The device is fabricated according to the simulation results. In experiments, when the voltage is 400 kV and the current is 50 kA, the radiated microwave power reaches about 110 MW and the dominating frequency is 9.7GHz. Because the surfaces of the cathode end and the beam dump are destroyed, the diode voltage cannot increase continuously. However, when the diode voltage is 400 kV, the average power output is obtained to be 700 MW in simulation. The impedance of the device is clearly smaller than the simulation prediction. Moreover, the duration of the microwave pulse is obviously shorter than that of the current pulse. The experimental results are greatly different from the simulation predictions. The preliminary analyses show that the generations of the anode plasma, the cathode flare and the anode flare are the essential cause for the remarkable deviation of the experimental results from the simulation predictions.     

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

基于离轴高增益速调管的X波段高功率合成技术研究

为了克服强流高增益速调管放大器中的自激振荡和适应低阻抗脉冲功率源发展的需要,利用高阻抗X波段五腔高增益速调管放大器进行了离轴八注八管高增益速调管功率合成技术研究,在频率为9.47 GHz、模拟输出功率为284 MW、增益为51.6 d B和效率为35.5%条件下,该器件整管微波输出稳定.在三维模型中,在离轴54 mm条件下该器件的微波输出特性稳定.基于实验室现有4.5 T(长1.1 m,室温孔径为150 mm)超导磁体,进行了八注八管高增益速调管的整管模拟,每个器件实现284 MW的微波输出.最后,为实现GW级功率输出,利用HFSS软件设计了用于离轴八注八管高增益速调管功率合成的八合一功率合成器,将该合成器同八注八管高增益速调管结合,模拟得到功率为1.84 GW、增益为50.7 d B、效率为28.8%的微波输出.     

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

 基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5 Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。