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。     

多束速调管频宽特性的初步分析

 介绍了多束速调管的结构特点和一些特性估计。对柱型输出腔,利用正交模分析的方法,导出了输出腔耦合系数的近似式,对多束速调管的频宽特性进行了初步分析。多束速调管输出效率和频宽的乘积的增加完全依赖束导流系数的增加,而耦合系数和腔特性阻抗随电子束束数的增加而降低,但降低速度较慢,因此,多束速调管的效率与频宽的乘积较单束要大。     

可调谐相对论磁控管调谐带宽的优化

 在以10腔旭日结构为方案的可调谐相对论磁控管中，分析了热腔下对磁控管性能有重要影响的零模成分与模式隔离因素，结合零模成分的形成原因以及轴向频率分量对调谐范围的影响，提出了调整大、小腔等效阻抗和体积，开放阳极端面,从而减小零模分量及增加调谐带宽的措施。CST模拟表明，通过这些优化，可调谐相对论磁控管的调谐带宽从最初的380 MHz提高到900 MHz。     

相对论速调管中间腔与调制电子束间的非线性互作用

在强流相对论电子束驱动的相对论速调管放大器中, 由于强流和高场强的影响, 尤其是中间腔具有高Q值, 微波腔与电子束之间的非线性作用很明显, 严重影响器件性能. 根据麦克斯韦方程组以及电子在微波场作用下运动方程给出了中间腔的束-波互作用自洽方程. 从这些方程出发, 研究了调制深度和调制频率对间隙电压幅度和相位的影响. 对比常规速调管的等效电路模型, 自洽公式给出的间隙电压幅值同粒子模拟结果更接近, 尤其是较高调制深度的情况. 同时器件带宽随调制深度的增加而变宽, 这也同粒子模拟结果一致. 由此设计了一个S波段高增益相对论放大器, 在LTD (长脉冲螺旋线)加速器上开展了相应的实验工作, 实验上获得了1.1 GW的输出功率, 器件增益49 dB. 关键词： 相对论速调管 非线性互作用 自洽方程     

S波段3 GW 相对论速调管放大器的设计

利用速调管放大器中间腔可以提高器件放大增益,并达到降低微波注入功率的要求,同时针对高功率微波相对论速调管放大器的特点,建立了一个带有两个中间腔的S波段相对论速调管放大器,采用特殊结构克服了多个中间腔引入的高次模影响,模拟上实现了在kW量级微波注入条件下,基波电流调制深度达到80%,输出微波3.3 GW。     

离轴X波段五腔高增益速调管放大器

利用辛普森算法求解螺线管线圈内磁场分布,证明了离轴磁场能用于电子束的聚束。利用2维粒子模拟程序建立了X波段五腔高增益速调管放大器模型,整管模拟得到了频率9.45GHz、输出功率300MW、增益50.3dB和效率37.5%的微波输出。依此设计了X波段五腔高增益速调管放大器的三维模型,并将其分别放置在线圈中心轴和离轴54mm的位置进行模拟,模拟结果证明工作在离轴状态的器件同样可以进行微波放大。最后,对一个螺线管线圈内放置七个器件的状态进行了三维模拟,其合成功率输出可达2GW。     

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%。     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性

 根据谐波回旋速调管放大器的注-波互作用特点，对Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的输出腔进行了数值模拟和优化设计，获得了输出腔末端高频波绕射输出孔径和腔体绕射Q值的对应关系。通过PIC粒子模拟，分析了该放大器的频率响应特点等输出特性。结果表明，在35 GHz频率，磁场0.685 T，电子注电压70 kV，电流15 A，横纵速度比为1.45，输入功率1.6 kW时，放大器可以获得超过220 kW的峰值输出功率、约22%的效率和23 dB的增益，3 dB带宽可达到110 MHz。     

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。     

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。     

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。     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化，解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低，进行了高频结构优化设计，显著地展宽了工作频带，提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上，建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型，进行了粒子模拟计算和优化，得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV，注电流13 A，电子注横向速度与纵向速度比为1.5时，中心频率69.81 GHz输出功率256 kW，带宽160 MHz，电子效率28%，饱和增益大于44 dB。     

基于预群聚的回旋管注入锁相研究

开展了40 kW预群聚注入锁相回旋管的理论与模拟设计。基于全电磁仿真方法完成了预群聚腔的设计,并采用给定场理论对电子束经过预调制腔后的群聚状态进行了计算。采用自洽理论获得了回旋管的自由振荡工作参数,并计算了振荡频率随各种参数变化的规律,由此提出了锁相带宽的要求。采用PIC粒子模拟进行了锁相状态的模拟,得到7 mm漂移距离下锁定增益可达30.5 dB,相应的锁相带宽为20 MHz。如果进一步增长漂移距离或者进一步增大输入功率,锁相带宽还会增大。理论计算和粒子模拟结果表明40 kW级回旋管注入锁相具有良好的可行性。     

W波段分布作用速调管的研制

简要介绍了一种W波段分布作用速调管的设计思路、设计方案和模拟结果,并给出了该管的测试结果。该管采用大压缩比圆柱电子枪和永磁聚焦系统,阴极电压17 kV,阴极电流0.78 A;高频系统由5间隙和11间隙(输出腔)的分布作用腔组成,采用长短槽梯形结构。样管实现了脉冲输出功率大于2 kW、带宽500 MHz、增益40 dB、工作比5%等指标。     

Small-signal analysis of a rectangular helix structure traveling-wave-tube

This paper investigates the properties of traveling wave-beam interaction in a rectangular helix traveling-wave-tube (TWT) for a solid sheet electron beam. The `hot' dispersion equation is obtained by means of the self-consistent field theory. The small signal analysis, which includes the effects of the beam parameters and slow-wave structure (SWS) parameters, is carried out by theoretical computation. The numerical results show that the bandwidth and the small-signal gain of the rectangular helix TWT increase as the beam current increases; and the beam voltage not obviously influences the small signal gain. Among different rectangular helix structures, the small-signal gain increases as the width of the rectangular helix SWS increases, however, the bandwidth decreases whether structure parameters a and L or ψ and L are fixed or not. In addition, a comparison of the small-signal gain of this structure with a conventional round helix is made. The presented analysis will be useful for the design of the TWT with a rectangular helix circuit.     

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。     

Linear Analysis of Folded Double-Ridged Waveguide

A novel slow-wave structure (SWS), the folded double-ridged waveguide structure, is presented and its linear gain properties are investigated. The perturbed dispersion equation is derived and the small signal growth rate is calculated for dimensions of the ridge-loaded region and the parameters of the electron beam. The novel structure has potential applications in the production of high power and broad band radiation. For a cold beam, the linear theory predicts a gain of 1.1-1.27dB/period and a 3-dB small-signal gain bandwidth of 30% in W-band. A comparison between the folded double-ridged waveguide SWS and folded waveguide SWS (FWSWS) shows that with the same physical parameters, the novel SWS has an advantage over the FWSWS on the bandwidth and electron efficiency.     

高峰值功率多注速调管的初步研究

 高峰值功率速调管因其作为高功率微波源而受到各国的重视。采用单电子注方案的高峰值功率速调管存在许多难以克服的问题，如工作电压很高，输出效率偏低，系统体积偏大等。对高峰值功率多注速调管进行了初步的研究，重点研究了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统和高频互作用系统。研究表明，在与单注速调管相同的功率电平下，多注速调管的工作电压明显降低，输出效率明显提高，同时，这种管型也存在结构复杂、电子注聚焦和消除非工作模式困难等技术问题。     

脊加载曲折波导行波管注波互作用的线性理论研究

提出了一类新型毫米波大功率微波器件——脊加载曲折波导行波管,推导出了引入电子注后的"热"色散方程.通过数值求解此方程,研究了加脊尺寸和电子注参数对小信号增益影响.计算结果表明:通过适当的尺寸设计和工作参数的选择,此结构在Kα波段具有18.51%的3 dB增益带宽和1.15 dB/周期的增益;相比于常规曲折波导结构,脊加载结构在保证一定带宽的情况下,具有更高的增益和电子效率;为了进一步提高增益,可以适当增加脊宽度和高度,也可在一定范围内增加电子注电流. 关键词： 毫米波 曲折波导 脊加载 小信号增益