类磁控管结构的理论分析

利用场匹配法得到了类磁控管结构的色散关系以及场函数表达式的同时, 利用高频电磁场分析软件验证了所得结果正确性, 并改变结构参数考察了截止频率的变化情况. 最终结果表明: 在保证其他参量不变的前提下,π模截止频率随外半径的减小, 内半径的增大或谐振腔数的增多而提高, 随谐振腔张角的增大而降低. 所得结果对于分析同轴辐射相对论磁控管的模式转换和传输特性奠定了基础.     

扇形腔旭日型磁控管结构的理论分析与数字模拟

利用场分析法推导了扇形腔旭日型磁控管的色散关系, 通过CST模拟软件验证了理论推导的正确性, 分析了扇形腔旭日型磁控管的各项结构参数对π 模截止频率和模式分隔度的影响. 研究表明: 色散关系的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到3%, π 模截止频率的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到1%; π 模截止频率f_πc与阴极半径R_c, 阳极半径R_a, 大腔张角2θ₁成正比关系, 与小腔半径R_d0, 大腔半径R_d1, 小腔张角2θ₀成反比关系, 这一定性结论与同腔型磁控管的定性结论并不完全一致; 在径向比较上, 结构参数对频率的影响由大到小依次为: 阳极半径, 大腔半径, 小腔半径和阴极半径; 在角向比较上, 大腔张角对频率的影响较大, 小腔张角对频率的影响较小; 另外, 模式分隔度γ 与大腔半径R_d1成正比关系, 与阴极半径R_c, 小腔半径R_d0, 小腔张角2θ₀成反比关系, 随阳极半径R_a或大腔张角2θ₁的增大先增大后减小. 关键词： 旭日型磁控管 扇形谐振腔 色散关系 场分析法     

C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系,并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解,得到了色散关系曲线.利用三维PIC粒子模拟,对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究,冷腔研究得到了7π模谐振频率为2.42GHz,与本文理论推导的色散关系有很好的一致性.在热腔情况下,电子能量为437keV,电子束流为12.2kA,外加磁场为0.6T,模拟得到了频率为4.5GHz,平均峰值功率为0.96Gw的C波段的高功率微波输出,分别通过相空间图和不同腔内射频场随时间的变化曲线可以确定器件工作在2π模,效率约为18%,且频谱纯净.当进一步对参数进行优化后,在注入的电子能量和电子束流分别为1.05MeV和20.7kA,外加磁场为0.7T时,得到平均功率达到约4.4GW,频率为4.37GHz微波输出,效率约为20%.     

C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系, 并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解, 得到了色散关系曲线. 利用三维PIC粒子模拟, 对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究, 冷腔研究得到了π模谐振频率为2.42GHz, 与本文理论推导的色散关系有很好的一致性. 在热腔情况下, 电子能量为437keV, 电子束流为12.2kA, 外加磁场为0.6T, 模拟得到了频率     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性

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，得出慢波结构谐振腔谐振频率的一些变化规律：随着叶片内半径的增大、叶片外半径的减小、叶片周期的减小以及叶片间距的减小，谐振腔TM01模式截止频率升高；而阴极半径的变化对截止频率几乎无影响。当主慢波结构腔内半径为4．6cm，扼流腔内半径为4．2cm，阴极半径为3cm时，MILO工作在3．“4．4GHz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效率;     

径向非均匀磁场下的磁控管工作性能模拟

 为了改善磁控管的输出频谱，使模拟结构更接近实际情况，考虑了磁钢和极靴的实际尺寸。用MAFIA对磁控管内的磁系统进行建模和模拟。得到的磁场纵向分布有随着径向半径的增大而增大的趋势，这种径向不均匀性与实验测试结果一致。将非均匀的径向阶梯形变化磁场分布带入腔体热测计算，模拟得到的π模工作频率2.437 GHz，实际工作频率2.450 GHz，相对偏差0.5%，并在高频谐波的抑制上获得了输出频谱的显著改善，使微波炉磁控管具有更好的电磁防护和实际应用。     

用于磁控管轴向辐射TE_(11)模式的紧凑型输出结构北大核心CSCD

提出了一种用于轴向输出相对论磁控管中具有TE_(11)辐射模式的紧凑型输出结构。该器件采用6谐振腔结构并工作在π模式上,通过合理设计谐振腔结构与输出圆波导之间过渡结构,模拟实现了圆TE_(11)模式微波的轴向输出。与传统衍射输出相对论磁控管相比,本文设计的轴向输出结构,不仅能在输出波导中获得更加纯净的微波模式,而且能减小磁控管的径向尺寸,使得系统更加紧凑化。初步的粒子模拟结果表明:当电压为280kV、磁场强度为0.5T时,该器件的工作频率为4.18GHz,输出功率为247.0 MW,功率转换效率达到21.9%。     

S波段低磁场紧凑型相对论磁控管设计

针对高功率微波器件的低磁场小型化发展需求,设计了工作在S波段的低磁场紧凑型相对论磁控管,建立了三维仿真模型。设计衍射输出结构,输出模式为TE11模。在圆波导中TE11模具有最小的截止半径,因此选取TE11模输出比高阶模输出具有更小的波导半径。分析了磁控管的输出性能随磁场、输出波导半径和倾斜角的变化规律。在磁场0.34 T、电压352 kV条件下,模拟仿真结果显示磁控管输出功率达到567 MW,功率转换效率为62.5%,在频率为2.37 GHz时波导半径仅为77.5 mm。     

5.8GHz磁控管的数值模拟和实验研究

C波段高稳定度磁控管是目前磁控管的研究重点。对5.8GHz磁控管进行模拟研究,冷腔计算磁控管π模频率为5.863GHz,阳极用双端双隔模带结构磁控管的工作频率与相邻模式频率分隔度为44%。模拟磁控管输出频率为5.856GHz,输出微波功率约1.2kW。对研制的磁控管进行注入锁定实验研究,输出微波功率1.047kW,效率约为58%。磁控管锁频锁相后输出的频率和相位稳定。     

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。     

LD端面泵浦Cr~4∶YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr4+∶YAG被动调Q Nd∶YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr4+∶YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr4+∶YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr4+∶YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

LD端面泵浦Cr4:YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr⁴⁺:YAG被动调QNd:YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr⁴⁺:YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr⁴⁺:YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr⁴⁺:YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

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。     

同轴辐射相对论磁控管的功率合成研究

同轴辐射相对论磁控管,又称具有衍射输出的相对论磁控管,是目前相对论磁控管在小型化和紧凑化方向发展的重要分支,也是有望成为最紧凑的窄带高功率微波源器件之一.根据同轴辐射相对论磁控管直接轴向辐射准TE11模式的方式和特点,开展了两路同轴辐射相对论磁控管共用一个喇叭的功率合成研究.通过对平行排列结果的分析讨论,提出了一种改善辐射方向性的方法和结构.最终的研究结果表明:当两路同轴辐射相对论磁控管并排靠近放置且夹角为7°,共用喇叭的参数为h=600mm,r=340mm时,π模反射系数为0.31,最大增益21.5dB,辐射模式为TE11模.     

圆形高斯镜平凹腔腔内外激光场研究

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了圆形高斯镜取不同反射率膜斑半径和中心振幅反射率情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明:腔内光场分布半径随反射率膜斑半径的减小而增大,中心振幅反射率不影响光场分布半径;反射率膜斑半径影响远场分布,当其数值较小时,在光束的远场分布主峰周围产生弱衍射环;当高斯镜中心全反射时,远场分布随反射率膜斑半径的变化无明显变化;模式本征值随反射率膜斑半径的增大而增大。     

输出环状光束的新型激光谐振腔

提出一种输出环状光束的新型激光谐振腔,即在稳定激光谐振腔中采用外环耦合方式得到环状光束的输出。利用For-Li数值迭代算法求解此类激光谐振腔的积分方程,通过计算机编程计算了平面一凹球面稳定谐振腔的输出端平面镜在不同半径的情况下,谐振腔镜面上和衍射耦合输出场基模的振幅和相位分布。计算结果预示了当输出端平面镜半径小于通常的稳定腔的基模半径时,衍射耦合输出场有稳定的环状光束输出。实验中TEA CO2激光器采用印刷电路板预电离结构,增益长度90cm,腔长5m,球面全反射镜曲率半径20m,输出端平面镜半径4．5mm,得到了内环半径为4．5mm、外环半径为5．5mm的基模环形光斑输出。从而在理论上和实验上证实了该方案产生环状光束的可行性。     

S波段可调谐轴向输出相对论磁控管的粒子模拟

研究了一种能同时实现S波段频率可调谐和微波轴向输出的相对论磁控管,该管采用10腔旭日型谐振腔结构和改进型轴向输出结构。利用高频场分析软件与粒子模拟软件,初步分析和优化了器件的工作性能。模拟结果表明:当电压为350 kV,磁场为0.3 T时,在20 %相对带宽（约700 MHz）内输出功率大于530 MW,功率转换效率大于20%,功率转换效率最高达到40.19%。     

一种S波段磁绝缘线振荡器的高频特性研究

 用数值计算的方法计算了S波段磁绝缘线振荡器（S-MILO）的主慢波结构谐振腔的π/4模、π/2模、3π/4模和π模的谐振频率，分别为1.40，2.21，2.46和2.51 GHz；计算出S-MILO封闭腔中的谐振频率依次为1.26，2.04，2.42和2.53 GHz，并计算了本征π模时的Q值。通过监测宽带激励源响应计算出S-MILO开放腔的谐振频率为2.43 GHz。对S-MILO开放腔传输特性研究表明：频率为2.25～3.05 GHz的微波，在第一腔内得到了有效抑制，输出微波的频率范围为2.2～2.5 GHz。通过对其传输特性进行研究，验证了S-MILO的高频电磁结构的合理设计。     

阴极帽结构L波段相对论磁控管的效率提升

提出了一种具有阴极帽结构的L波段相对论磁控管的设计方案,并给出了数值模拟结果。在相对论磁控管中引入阴极帽是为了降低轴向泄露电流并提高功率转换效率。三维粒子模拟用于研究引入阴极帽后产生的影响。结果显示,当在束波互作用区域的上游和下游同时添加阴极帽,并且将阴极延伸出阳极块结构,直至衍射输出结构时,轴向泄露电流不仅会从1 kA降至72 A,且功率转换效率会有明显提高。虽然如此,阴极帽的引入除了以上优点外,同样会带来微波反射。因此,阴极帽的半径和位置对于效率有至关重要的影响,它们之间存在一个最优数值来保证效率最高。当电压为563 kV, 磁场为0.34 T时,轴向衍射输出结构L波段相对论磁控管输出微波功率为2.13 GW,频率为1.59 GHz,相应的功率转换效率为75.5%。     

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。