140GHz大功率交错双栅行波管的设计和模拟研究

采用交错双栅结构,结合带状电子注,研究了一种工作在140 GHz频段的大功率行波管. 本振模数值计算表明该结构具有良好的色散特性和耦合阻抗.针对所采用的慢波结构, 提出了慢波过渡结构、输入输出耦合器和集中衰减器,保证了行波管的良好工作. 利用三维大信号模拟计算的方法得到的结果显示,当电子注直流功率为5.115 kW,输入信号功率为0.1 W时, 所研究的行波管能在132-152 GHz范围内提供大于300 W的峰值功率,其中在138 GHz时得到最大功率546 W, 对应增益为37.37 dB.当在0.027-0.46 W内调节输入信号功率,可以保持该行波管在128-152 GHz 频带内得到大于440 W的峰值功率,对应的电子效率大于8.6%. 结果显示该行波管将在大功率短毫米波领域具有重要意义和潜在应用价值.     

397 GHz斜注管互作用系统的设计模拟

斜注管是返波振荡器的一种，通过电子注的倾斜，电子距离慢波结构更近，高频场更强，耦合阻抗和互作用效率更高，显著增加输出功率。对带状注斜注管的互作用系统进行了设计，并首次将双排齿慢波结构应用于斜注管。利用电磁模拟软件和3D粒子模拟软件对设计的斜注管的色散曲线和场分布进行了分析，并对其注-波互作用进行了模拟，可以得到大于100 mW的输出功率以及50 GHz的调谐带宽。输出功率在370.5 GHz频点处处达到峰值2.3 W，电子注电压7.0 kV，注电流120 mA，聚焦磁场1.0 T。     

C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 利用2维半全电磁PIC程序进行数值模拟，设计了一种C波段磁绝缘线振荡器。该振荡器在阴极电子发射起点加圆环,控制此处电子束的发射密度，来减少电子能量的损耗，改善束-波互作用；逐渐加大慢波结构的后两个叶片的内半径，增大微波群速度，便于谐振腔中的能量输出，提高微波输出效率；采用两个扼流片有效地阻止了微波功率向二极管区泄漏，相应减小了器件的尺寸。当外加电压为430 kV、束流46 kA时，饱和后输出微波平均功率2 GW，频率3.51 GHz，功率转换效率10%。     

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%。     

新型半矩形环螺旋线慢波结构高频特性

针对行波管更高工作频率和更大输出功率的发展需要,提出了一种半矩形环螺旋线慢波结构。基于三维电磁仿真软件HFSS的模拟研究表明:调控慢波结构的尺寸可以获得合适的色散特性和互作用阻抗,与现有技术的半圆环螺旋线慢波结构相比较,半矩形环螺旋线慢波结构的色散变化很小,但是具有更高的互作用阻抗值。新结构具有平坦色散、高互作用阻抗、与微细加工技术相兼容以及方便与带状电子束互作用的综合优点。     

X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。     

带状注行波管双矩形螺旋线慢波结构高频特性北大核心CSCD

针对新型螺旋线慢波结构——双矩形螺旋线慢波结构,即在金属屏蔽框内平行加载两个具有矩形横截面形状的自由螺旋线慢波结构,利用三维电磁仿真软件对其高频特性(色散特性和耦合阻抗)进行模拟研究。结果表明:在相同位置处,与单矩形螺旋线慢波结构相比,双矩形螺旋线慢波结构色散特性变化很小,却有着更高的耦合阻抗;同时,在包含这些位置的空间部分,可采用带状电子注与该慢波结构进行注波互作用,使输出功率进一步得到提高。     

X波段10 GW高功率返波管振荡器设计

设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过添加内导体并采用过模慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行. 当电子能量和束流分别为1.3 MeV和17 kA时,采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为8.8 GHz,功率为10.4 GW的微波输出. 关键词： 内导体 相对论返波管 过模慢波结构     

A staggered double vane circuit for a W-band traveling-wave tube amplifier

Based on the combination of a staggered double vane slow wave structure(SWS) and round electron beam,a 200-W W-band traveling-wave tube(TWT) amplifier is studied in this paper.The main advantages of round beam operation over the sheet beam is that the round beam can be formed more easily and the focus requirement can be dramatically reduced.It operates in the fundamental mode at the first spatial harmonic.The geometric parameters are optimized and a transition structure for the slow wave circuit is designed which can well match the signal that enters into and goes out from the tube.Then a TWT model is established and the particle-in-cell(PIC) simulation results show that the tube can provide over 200-W output power in a frequency range of 88 GHz-103 GHz with a maximum power of 289 W at 95 GHz,on the assumption that the input power is 0.1 W and the beam power is 5.155 kW.The corresponding conversion efficiency and gain at 95 GHz are expected to be 5.6% and 34.6 dB,respectively.Such amplifiers can potentially be used in high power microwave-power-modules(MPM) and for other portable applications.     

基于双排矩形梳状慢波结构的W波段宽频带行波管模拟研究

提出采用圆形电子注和双排矩形梳状慢波结构作为W波段宽频带行波管注波互作用回路. 对该慢波回路的"冷"态特性、输入输出结构等方面进行了模拟仿真和分析, 研究结果表明, 该结构色散特性较好, 带宽较宽; 通过调整双排矩形梳状慢波结构之间的距离和电子注通道半径的尺寸, 圆形电子注系统取得了和带状注系统相同的耦合阻抗; 且该结构传输特性较好, 优化后整管的驻波比能在较宽的频带内保持在2以下. 此外, 对该慢波系统的大信号理论计算和PIC粒子模拟结果一致. 在50 mW驱动功率下, 输出功率在10 GHz带宽内大于40 W, 增益高于29 dB.     

轴向分区双频磁绝缘线振荡器的数值模拟

 为了便于模式变换器的设计,达到双频微波都能集中辐射的目的,提出一种轴向分区的双频磁绝缘线振荡器,该器件束波互作用区为中间隔开、两端不同周期、不同深度的慢波结构,使电子在上下游与不同频率特性的慢波结构进行束波互作用,得到稳定的双频微波输出。使用2.5维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟,在工作电压450 kV,电流40 kA条件下输出微波功率为1.4 GW,功率效率约为7%,输出的微波频率分别为1.25 GHz和1.65 GHz,两者频谱幅度相差约为1.5 dB,模式为TEM模。     

V形曲折矩形槽慢波结构的研究

提出了一种新型的慢波结构—-V形曲折矩形槽慢波结构, 该结构是由矩形槽波导沿其E面法向周期性呈V形折叠而成, 其两金属板之间的间隙形成天然的带状电子注通道. 相比传统的U形曲折矩形槽波导, 它能在保持良好高频特性的情况下增加互作用面积, 从而可以采用面积更大的带状电子注以获得更大的输出功率. 分析了该结构的高频特性, 在V波段完成了对行波管互作用电路的设计, 并利用三维粒子模拟的方法估计了其工作性能. 研究结果表明, 当工作电压和电流分别为12.8 kV和600 mA 时, 在58—64 GHz的频率范围内饱和平均输出功率大于1000 W, 相应的饱和增益和电子效率分别大于33 dB和13.2%.     

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV,电流8.95 kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0 GW,波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。     

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。     

脊加载螺旋槽行波管的小信号增益计算

脊加载螺旋槽行波管是一类新型毫米波大功率器件,给出了此结构中引入电子注后的“热”色散方程,并利用“牛顿”下山法求解了此复系数超越方程.通过数值计算给出了一个工作电压为20kV频率为474GHz的脊棱加载慢波结构的具体尺寸,并对此结构中小信号增益随脊尺寸的变化情况及电子注参数对其影响进行了研究,计算结果表明：此结构适宜于作为高增益窄带毫米波大功率行波管的慢波线,其3dB增益带宽为34%;为了展宽其工作带宽,可以适当减小间隙宽度,也可在一定范围内提高电子注电流.给出的理论对于研制此类行波管具有一定的指导意 关键词：     

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.     

大功率太赫兹返波管振荡器设计北大核心CSCD

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器,通过对慢波结构的精心设计,使电子束动能得到充分提取,实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280keV和320A的条件下,当引导磁场强度为3T时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为121.8GHz、功率为13MW的太赫兹波输出,器件的束波转换效率约为14.5%。     

一种新型的高功率高频率同轴渡越时间振荡器

 提出了一种高频率和高功率的渡越时间振荡器,并且对其进行了理论和数值研究。这种振荡器采用同轴结构，功率容量大，不需要外加引导磁场聚焦电子束，波束相互作用区短，保持了传统渡越时间振荡器在结构上的简单性和输出信号的稳定性；运用电压为225kV和电流为11kA的电子束进行模拟，在X波段获得了峰值功率为1.4GW，频率为8.335GHz的微波输出。     

A high-power subterahertz surface wave oscillator with separated overmoded slow wave structures

A megawatt-level subterahertz surface wave oscillator(SWO) is proposed to obtain high conversion efficiency by using separated overmoded slow wave structures(SWSs). Aiming at the repetitive operation and practical applications, the device driven by electron beam with modest energy and current is theoretically analyzed and verified. Then,the functions of the two SWS sections and the effect of the drift tube are investigated by using a particle-in-cell code to reveal how the proposed device achieves high efficiency. The mode analysis of the beam-wave interaction region in the device is also carried out, and the results indicate that multi-modes participate in the premodulation of the electron beam in the first SWS section, while the TM01 mode surface wave is successfully and dominantly excited and amplified in the second SWS section. Finally, a typical simulation result demonstrates that at a beam energy of 313 ke V, beam current of 1.13 k A, and guiding magnetic field of above 3.5 T, a high-power subterahertz wave is obtained with an output power of about 70 MW at frequency 146.3 GHz, corresponding to the conversion efficiency of 20%. Compared with the results of the previous subterahertz overmoded SWOs with integral SWS and similar beam parameters, the efficiency increases almost 50% in the proposed device.     

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

 提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器，并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析，并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数，然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明，优化结构可以在输入约21GW电功率（工作电压约500kV）的条件下，得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出，其饱和时间为10ns，平均效率为12.9%。