同轴相对论返波管高频特性的数值分析

提出一种数值分析周期慢波结构色散特性的模拟法，先采用时域有限差分法和离散傅里叶变换技术计算含周期慢波结构的谐振腔的谐振频率及谐振场分布，再基于周期慢波电路色散关系的周期性质，利用几个特殊色散点由数值组合技术获得周期慢波线的完整色散关系。数值计算了同轴波纹波导中ＴＭ０ｎ模式的色散关系，亦能用于分析计算任意复杂几何结构的周期慢波线的色散关系。     

同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟

 计算了同轴波纹慢波结构的色散特性，分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响。研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大, 并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态。运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟, 发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T。     

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。     

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。     

O型契伦柯夫器件慢波结构高频特性

理论推导了电磁波在半无限长直波导和均匀慢波结构交界面上的反射系数表达式,得到反射系数模值和相位随电磁波的纵向相移常数和慢波结构末端相位的变化关系。运用传输线理论以及反射系数的理论计算结果,得到了有限长慢波结构的纵向谐振条件,可以分析各种情况下有限长慢波结构的纵向谐振特性。计算了一种有限长慢波结构的纵向谐振频率,理论预测与数值仿真结果基本一致。对于一种非均匀慢波结构的数值计算结果表明,其纵向谐振模式对应的频率、场分布与相应的均匀慢波结构接近,因此仍可根据提出的纵向谐振条件对非均匀慢波结构进行分析。     

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     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

 利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布。结果表明：当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm，阴极半径为3 cm时，MILO工作在3.6~4.4 GHz频率范围，扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏，这有利于提高器件微波输出的功率；4.5~4.9GHz频段为慢波结构的阻带，微波在该频段截止。计算了C波段MILO开放腔的谐振频率，当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时，其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz, Q分别为194，143，231，468。数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致。     

共轴环光子晶体的缺陷微腔特性

 采用数值计算方法,模拟了共轴环光子晶体缺陷微腔的谐振模式场分布,计算了此微腔的品质因数和功率损耗,并分析其几何参数对谐振特性的影响。以此缺陷微腔为基础构建周期性慢波系统,讨论了该系统的色散特性。结果表明,微腔中能够存在单一的谐振模式,微腔的纵向长度和介质环介电常数对谐振特性影响较大。所构建的慢波系统有较宽的慢波频域,且慢波比曲线较为平坦。增大电子注开孔半径和减小周期长度对于提高工作频率及增加带宽较为有效。     

矩形波纹过模周期慢波结构色散特性及其单模工作分析

 通过数值模拟，给出了一种求解矩形波纹过模周期慢波结构TM_0n模的色散关系的简便方法；研究了周期慢波系统平均半径、波纹周期、波纹幅度等结构参数对本征模式色散特性的影响；讨论了周期慢波系统中表面波与体积波的存在条件；分析了过模周期慢波系统仍能工作在单模状态下的原因。结果表明，过模周期慢波系统中，当结构参数满足一定条件，且与束电压、束半径匹配，使电子束与TM₀₁模同步点位于π模附近，此时TM₀₁模的总场是表面波，在两种选模机制作用下系统可实现TM₀₁单模工作。     

矩形波导栅慢波系统的实验研究

 从实验上研究了矩形波导栅慢波系统的色散特性及其耦合装置的驻波系数，用分布加工的方法分别制作了矩形、燕尾形、梯形3种不同槽形的矩形波导栅慢波结构模型和带输入输出结构的矩形波导栅慢波结构实体模型。采用谐振法测量它们的色散特性和驻波系数，实验结果与理论计算值和模拟值吻合良好。     

等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性研究

等离子体填充慢波器件为高效率、高功率真空电子微波源的发展提供了新的途径, 但其仿真和理论都具有一定的难度. 本文将通过轮辐天线加载激励信号的方法引入到等离子体填充金属光子晶体慢波结构(SWS)的色散特性仿真分析中, 研究了慢波结构参数和等离子体密度对等离子体填充慢波结构色散特性的影响. 结果表明, 无等离子体填充时, 通过轮辐天线加载激励信号方式得到的色散特性与其他方法差别不大; 与已有结果对比表明, 该方法适用于等离子体填充慢波结构的分析. 为了减小轮辐天线对腔体谐振频率的影响, 需要适当减薄轮辐天线的厚度, 并尽可能缩短其与反射面之间的距离. 天线的厚度越大越能激励慢波场, 越小谐振模式越容易被激励; 慢波结构周期膜片外半径和厚度对色散特性影响不大, 周期长度和膜片内半径对色散特性影响较大; 频率和相速色散曲线随等离子体密度上升而整体向高频区移动; 等离子体填充对低频模点的影响要大于对高频模点的影响; 对于慢波器件, 需要选择高频模点工作模式, 以减少腔的尺寸并降低电子注的初速度.     

正交场返波管太赫兹源慢波系统

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题,研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明:慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗;设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数,主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm范围内、工作频率在300~420 GHz范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真,得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。     

慢布拉格类孤子的传播特性

在耦合模理论的基础上，分析了线性周期结构的色散关系，给出了一维无限长的克尔类非线性介质周期结构中的慢布拉格类孤子解。并且指出，增加脉冲能量会导致群速度色散效应增强，在非线性作用下，禁带宽度会变小，波的频率也会发生偏移，其偏移量主要取决于失谐因子、传播速度、波振幅强度以及非线性系数等参量。     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

 把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构，从Maxwell方程组和Floquet定理出发，导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_0n模式的色散曲线，数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响，运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度，可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率； 调节内导体半径的大小，几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm，槽深取2 mm，槽宽取3.6 mm，漂移长度取7.5 mm的结构，在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下，器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便，具有广阔的应用前景。     

曲折圆形槽波导慢波系统的高频特性

 对曲折圆形槽波导新型慢波系统的高频特性进行了研究，通过理论分析和数值计算，得到了它的色散曲线和耦合阻抗表达式，并分析了结构参数变化对色散特性和耦合阻抗的影响。研究表明：当周期变小时色散减弱，耦合阻抗增加；而增大直波导长度时色散变弱，但同时耦合阻抗也会下降。因此较小的周期有利于改善曲折圆形槽波导慢波电路的高频特性。鉴于这种电路的耦合阻抗较低，可以适当地减小直波导长度来提高耦合阻抗。曲折槽波导结合了曲折波导散热能力强、色散特性好、容易加工和槽波导单模工作、低损耗、大尺寸等优点，在毫米波及亚毫米波段的行波管中具有较好的发展前景。     

同轴任意槽形周期圆波导慢波结构色散特性的研究

用阶梯近似的方法分析任意槽形加载的圆波导慢波系统，利用各阶梯相邻面的导纳匹配条件 以及中心互作用区与加载区的场匹配条件，获得了任意槽形加载周期慢波结构的统一色散方 程. 利用该色散方程，得到色散特性与CST MWS仿真软件模拟结果良好符合. 分别求解几种 特殊槽形加载慢波结构的色散特性及耦合阻抗，其中，三角形结构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： 任意槽形 慢波结构 色散特性 行波管     

耦合腔行波管慢波结构的数值模拟

利用三维电磁场程序MWS及周期性高频结构的场对称计算模型，对X波段休斯耦合腔慢波结构和Kα波段毫米波梯形耦合腔慢波结构进行了场结构的数值模拟，给出了满足整管设计要求的慢波结构，色散特性和耦合阻抗。     

同轴交错膜片加载慢波线的分析

膜片加载圆波导是相对论行波管最主要的慢波结构，同轴结构的膜片加载波导可以拓宽带宽。利用变分法对同轴交错膜片加载的慢波结构（亦称同轴径向线）进行了理论分析，得到了色散方程并进行了数值计算。计算结果表明，它比非同轴结构的带宽有明显的增加。     

脊加载同轴交错圆盘波导的高频特性

提出脊加载同轴交错圆盘波导慢波结构,并用电磁场仿真软件HFSS对其色散特性和耦合阻抗进行了计算,分析了不同结构参数对其高频特性的影响。研究表明:脊加载同轴交错圆盘波导有较好的色散特性,它比非同轴结构的带宽有明显增加,同时可以降低慢波结构的相速,用作行波管慢波结构时可以降低工作电压。脊加载同轴交错圆盘波导是一种全金属结构,散热性能好,损耗低,在毫米波及亚毫米波段的行波管中有较好的应用前景。     

三种同轴双波纹周期慢波结构对比研究

利用Fourier级数展开法,给出了任意几何结构的表达式的求解方法.通过数值计算,对比分析了余弦、梯形和矩形波纹慢波结构(slow-wave structure,SWS)的色散特性.根据S参数理论,研究了这三种SWS纵向模式选择的特性,提出了在同轴慢波器件中加入同轴引出结构,可减少所需SWS周期数,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.进一步通过KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序,探讨了分别采用三种SWS的相对论返波振荡器(backward-wave oscillator,BWO)的束-波作用的物理过程,设计了一种紧凑型、吉瓦级、同轴L波段BWO,分析了不同形状SWS的选取原则.在此基础上,开展了初步实验研究：在二极管电压为670 kV,电子束流为107 kA,引导磁场为075 T的条件下,输出微波峰值功率约为102 GW,微波波形半高宽为22 ns,功率转换效率约为142%,频率为161 GHz. 关键词： 同轴慢波结构 相对论返波振荡器 色散特性 高功率微波