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。     

自适应线性神经元方法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TMon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。     

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。     

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     

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。     

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。     

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。     

W波段回旋行波管螺旋波纹波导色散分析

对螺旋波纹波导回旋行波管的色散特性进行了研究,通过理论分析推导了螺旋波纹波导的色散方程。进一步对色散曲线进行了数值计算,并着重分析了几何结构参数变化对其色散特性的影响, 由此得到了合理的结构参数。同时利用三维电磁仿真软件CST模拟计算了在该参数下螺旋波纹波导的本征模式并与理论结果作对比,误差小于3%。     

相对论返波管慢波结构的起始端设计

 对相对论返波管的慢波结构中横磁模－TM₀₁模的空间谐波系数进行了理论计算。理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔，其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性。根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果，提出为了提高相对论返波管的转换效率，一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始。     

Analysis of the Coaxial Ridge-Loaded Helical Groove Waveguide

The coaxial ridge-loaded helical groove waveguide is proposed in this paper. As an all-metal slow-wave circuit, it has advantages of good heat dissipation and great size, and thus is suitable for use of millimeter TWT. By means of field theory, the expressions of the dispersion equation and the coupling impedance of the coaxial ridge-loaded helical groove waveguide are obtained. The influence of various circuit dimensions on the dispersion relation and the coupling impedance is investigated by the results of numerical computation.     

Ultrawide-bandwidth gain in a coaxial dielectric Cherenkov maser

A coaxial waveguide partially filled with a dielectric as the slow-wave structure of a dielectric Cherenkov maser is investigated. The dispersion of the fundamental mode of this waveguide is very weak at phase velocities close to the velocity of light, and for this reason a very wide gain bandwidth is possible under conditions of an interaction with a relativistic electron beam. The dispersion equation for an infinitely thin tubular beam in a coaxial waveguide with a dielectric liner adjoining either the outer or inner conducting surface is derived. The gain bandwidth as a function of the parameters of the electron beam and the slow-wave system are investigated on the basis of numerical solution of the dispersion equation, and a comparison with similar dependences for the conventional configuration of a dielectric Cherenkov maser is made. The structural features of the coaxial configuration which enable novel approaches to the problems of matching the microwave signal at the entrance and exit of the system are discussed. Zh. Tekh. Fiz. 67, 66–72 (May 1997)     

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     

Linear Theory of the Coaxial Ridge-Loaded Helical Groove Waveguide

The coaxial ridge-loaded helical groove waveguide, an all-metal slow-wave circuit, has advantages of good heat dissipation and great size, and thus is suitable for use of millimeter TWTs. In this paper, the dispersion equation of the circuit with an annular electron beam is obtained according to self-consistent field theory. The influence of various electron beam parameters on the small signal gain is investigated and discussed by the numerical computation.     

X波段类周期加载微波腔的优化设计和粒子模拟

提出了一种类周期加载微波腔结构，通过理论和全电磁2.5维相对论粒子模拟程序计算，证实了电子束可以与这种谐振腔结构发生相互作用。基于该谐振腔特点，通过ASTRA程序(包含电子束自身空间电荷场的粒子运动模拟程序)设计和优化了一个X波段的类周期加载微波腔振荡器，该振荡器的束波转换效率理论值可达52%，工作频率为9.4 GHz。然后用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序进行了进一步的优化，模拟中，输入电压700 kV，电流6.6 kA，磁场4.4 T，其输出功率为1.67 GW，束波转换效率达到36%。实验上输出微波峰值功率达到1.3 GW，脉宽26 ns，束波转换效率为26%。     

同轴膜片加载圆波导相对论行波管注-波互作用线性理论研究

 从改善圆盘加载波导作为相对论行波管慢波结构的特性入手，加入同轴内导体，着重研究其小信号理论。利用场匹配法导出了“热”色散方程并计算求解，具体分析了系统的电子注参量及慢波结构几何尺寸对小信号增益及慢波相速的影响,为同轴圆盘加载相对论行波管的设计提供了理论基础。     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

 利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这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。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。