Ka波段二次谐波回旋速调管放大器输入耦合器的分析与模拟

 对应用于Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的一种输入耦合器进行了分析，并利用三维电磁模拟软件HFSS和ISFEL3D对其进行了模拟与设计。研究结果表明，该输入耦合器具有较高的能量耦合效率，并能在Ka波段获得高纯度的TE₀₂₁谐振模式。     

一种新型同轴TEM-圆波导TE11模式变换器

 提出了一种新型同轴插板式模式变换器，可以实现同轴TEM到圆波导TE₁₁模式的变换。介绍了这种模式变换器的工作原理：即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板，将同轴TEM模变换成扇形截面波导TE₁₁模，进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性，在同轴波导中形成同轴TE₁₁模，最后将同轴TE₁₁模转换为圆波导TE₁₁模式。基于这一原理设计了一个中心频率为3.8GHz的同轴TEM-圆波导TE₁₁模式变换器，并进行了数值模拟。模拟结果表明：这种模式变换器可以承受高功率，中心频率上转换效率为98.5%，转换效率大于90%的带宽超过10%，在3.5~4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。     

用于速调管功率合成输出结构的转向波导设计

 为X波段高峰值功率速调管功率合成输出结构设计了一个工作在9 GHz的转向波导，用于连接功率合成器和速调管输出腔。转向波导结构由中心矩形谐振腔、两个矩形耦合孔和两边的输入输出波导组成；输入和输出波导由速调管输出腔和功率合成器确定，分别工作在TE₁₀和TE₀₁模式，它们相互垂直并偏离矩形谐振腔的中心；中间的矩形谐振腔工作在TM₁₁₀，TE₁₀₁和TE₀₁₁混合模式。这种转向波导结构的3个反射零点构成了较宽的传输通带。将连接转向波导结构的功率合成器加载到速调管输出腔,计算了功率合成器加载后速调管输出腔的间隙阻抗。计算结果表明：功率合成器的加载对输出腔间隙阻抗影响不大。设计的转向波导结构很好地应用到了速调管功率合成输出结构中。     

同轴TEM－余矩形TE10模式变换器的优化设计

 用HFSS软件和网络理论对S波段同轴TEM－矩形TE₁₀模式变换器进行了优化设计。其中同轴波导工作于过模状态,可同时传输TEM、TE₁₁、TE₂₁模。模式变换器可应用于高功率微波的能量提取系统,优化设计方法可用于通过短路活塞来实现调配的同轴－矩形、圆波导－矩形的模式变换器。     

螺旋波纹波导的传输特性

 根据螺旋波纹波导的传输耦合方程，取输入模式为TE₁₁，由螺旋波纹波导模式耦合规则得到输出模式为TE₂₁，由此给出耦合方程的具体形式。用“迭代法”简化耦合方程，并进行数值分析，得到了波导波纹周期对传输特性的影响；利用简化后耦合方程解的解析式计算了螺旋波纹波导工作模式中各场幅值的比例关系。计算结果表明：在工作频段内螺旋波纹波导中场结构是一种混合模，以TE₂₁模为主，其群速基本接近常数，可以和电子注在很宽的频带内产生互作用，为注波互作用的计算提供了依据。     

同轴腔自由电子回旋脉塞的输出功率

 介绍了同轴腔自由电子回旋脉塞输出功率受电子束错位的影响,并就德国卡鲁斯研究中心(FZK)正在建造的波长为2mm、输出功率为1.5MW的同轴腔回旋脉塞,进行了数值计算分析。结果表明:电子束错位会使输出功率下降,但对工作模TE_82,16,1模的影响,比对竞争模TE_27,16,1模的影响更小。     

紧凑型圆极化模式转换器

 提出了一种结构紧凑的、能将圆波导TM01模或同轴波导TEM模转换为圆极化TE₁₁模的高功率微波模式转换器。该转换器由前后2个十字转门波导结对接组成,前者首先把圆波导TM₀₁模转变为4个矩形波导中的TE₁₀模,4个矩形波导的长度不等;后者再把4个经过不同相位延迟的矩形波导TE₁₀模转变为圆波导中的圆极化TE₁₁模。对所设计的1.75 GHz模式转换器进行了仿真研究,在中心频率上,该模式转换器转换效率为99%,轴比为0.03 dB;在1.575~1.900 GHz的频率范围内,转换效率大于90%,轴比小于2.5 dB,对应带宽为18.6%。     

X波段高功率微波TE11模圆极化器

 基于圆波导TE₁₁模的模式简并特性和微波在椭圆波导中传输两个正交TE11模式相速不同的性质,研制了一种带有椭圆波导结构的圆波导TE₁₁模圆极化器。该圆极化器通过圆波导到椭圆波导的过渡段,将输入的线极化TE₁₁模式分成两个等幅、正交的TE₁₁模,然后调整椭圆波导长度,使得两个正交的TE₁₁模式的相位差为90°,实现了TE₁₁模式微波线极化到圆极化的转换。利用时域有限差分软件优化设计了该圆极化器,并按照优化的结构尺寸加工了一套实验装置进行了实验测试,测试结果表明：在工作频率9～10 GHz范围内,该圆极化器轴比小于1 dB,驻波比小于1.1,且功率容量大于1.6 GW。     

同轴插板式TEM-TE11模式转换器的设计与实验研究

 介绍了同轴插板式TEM－TE₁₁模式转换器的设计:在同轴波导内沿径向插入四块金属板,将同轴TEM模转变为扇形截面波导TE11模,通过控制插板的长度使不同扇形截面波导输出TE₁₁模的相位不同,最后在圆波导内形成TE₁₁模;通过在插板的前端设置角向均匀分布的金属杆,实现了模式转换器的良好匹配。实验测得模式转换器的辐射方向图轴向最大,与数值计算结果吻合良好,表明实验中模式转换器的输出模式与数值计算结果一致,从而验证了同轴插板式模式转换器的可行性。     

高功率毫米波圆波导半径微扰模式变换器的优化设计

 从半径渐变波导的耦合波方程出发,利用龙格-库塔法进行优化数值迭代,得到在3 mm波段,TE₀₃-TE₀₂, TE₀₂-TE₀₁高效率模式变换器的设计参数。通过优化程序,设计出了6周期TE₀₃-TE₀₂和3周期TE₀₂-TE₀₁模式变换器优化尺寸。利用CST微波工作室电磁仿真软件对结构尺寸进行优化仿真,仿真结果与优化程序计算结果基本一致。以此数据设计中心频率94 GHz的TE₀₃-TE₀₂,TE₀₂-TE₀₁模式变换器功率转换效率可以达到98.5%以上,90%功率转换的绝对带宽分别达到3.5和7.0 GHz以上,优于设计要求。     

W波段回旋行波管输入输出段的改进设计

在回旋行波放大器的设计中,输入输出段的性能直接影响到整管输出功率、效率及增益。设计了一种采用渐变过渡段的输入耦合器来减少电子注在前端的截获,而且略微地提高了耦合特性,有效带宽达到4.06 GHz。采用二级切比雪夫渐变波导作为输出结构的耦合输出段,从仿真结果得到,在整个工作频段内,该结构中TE01工作模式的反射低于-20 dB,TE01模向杂模TE02和TE03的耦合分别在-20 dB和-30 dB以下。     

170 GHz缓变截面开放式谐振腔传播特性模拟

在数值计算方法的基础上,编程模拟了高次模式TE31,12模在传统及改进型开放式缓变截面谐振腔的传播特性,计算了开放式缓变截面谐振腔的绕射品质因数,研究了改进型缓变截面谐振腔连接段的曲率半径对绕射品质因数的影响。结果表明,连接段曲率半径越大,绕射品质因数值越小。为了证明结论的正确性,利用仿真软件HFSS对另一工作于低次模TE0,1模的改进型缓变截面谐振腔进行仿真计算,并和编程计算结果比较,也得到了同样的结论。     

Design and simulation of a C-band SLED with mode converter

The transient response analysis of the SLED based on the equivalent circuit is described. Then, a C-band SLED using TE0,1,15 mode cylindrical cavity with TE10-TE01 mode converter has been designed. According to the main RF parameters of the accelerator, the coupling coefficient is optimized to obtain the maximum multiplication factor. The key components of the pulse compressor include a 3 dB directional coupler, a TE10-TE01 mode converter,and a cylindrical cavity, which are simulated and optimized using 3D electromagnetic field simulation software. In addition, the function defining the relation between the coupling factor and aperture size is derived by a mathematical fitting method.     

V波段圆波导TE_(01)模式激励器

V波段圆波导TE01模式激励器由矩形TE10模式到矩形TE20模式变换器和矩形TE20模式到圆波导TE01模式变换器组成。采用H面(磁面)转弯激励的方式实现矩形TE10模式到矩形TE20模式的变换;根据圆波导TE01模式的场分布特性,引入过模波导实现了矩形TE20到圆波导TE01的变换。计算结果表明设计的激励器转换效率在95%以上;模式纯度在98%以上的相对带宽可达4.2 GHz;其中在43.4 GHz处的最大转换效率为99.08%,纯度为99.20%。     

螺旋分布孔高阶旋转模式激励器的设计

针对Danilov (2007) 提出的高阶模式激励器纯度未知和设计思路模糊的不足, 介绍了一种改进型螺旋分布孔高阶旋转模式激励器, 以实现同轴TE1, 1模式到圆波导TE5, 3模式的高纯度转换。根据不均匀弦方程, 编制了数值计算程序对同轴腔体结构参数进行了优化计算, 使工作模式能够有效谐振。基于小孔衍射理论以及PEC表面的电场边界条件, 详细研究了螺旋分布孔的排列方式和模式抑制器的工作原理。数值计算和仿真结果表明: 在中心频率30GHz附近, TE5, 3模式激励器的模式纯度高达97.4%, 转换效率为96.1%。设计的高阶模式激励器相对于Danilov的结构具有纯度高和紧凑的性能。     

双耦合同轴腔TM310模加载空波导输出回路

设计了速调管的单间隙和双间隙圆柱同轴腔高阶TM310模式输出回路。为降低外输出腔的外观品质因数和增加腔内工作模式电磁场的均匀性,采用了在输出孔处腔内侧位置设置轴向短路金属线的措施。由等效电路理论分别计算了它们加载空矩形波导TE10基模时,腔内漂移管中心位置处的等效间隙阻抗及对应的输出带宽。计算模拟发现,与单间隙腔相比,双间隙腔具有较大的间隙阻抗及带宽。     

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。     

Calculation of the external quality factor of the high power input coupler for the BEPC Ⅱ superconducting cavity

It is very important to predict the coupling between the cavity and the high power input source in the coupler design. In this paper, a time domain method is used to calculate the external quality factor Qext for the BEPC Ⅱ superconducting cavity. A comparison between simulation results and experimental results is presented. The results of simulation and measurement of Qext have a good agreement within an error of 10%.The geometry parameters related with Qext are also studied.