基于开槽单矩形栅和圆形电子注的W波段返波振荡器

提出将开槽单矩形栅和圆形电子注作为 W波段返波振荡器的注波互作用回路. 使用 3维电磁场仿真软件CST-MWS对开槽单矩形栅的高频特性进行了仿真分析, 研究结果表明: 相对于传统单矩形栅, 新结构的基模带宽有所展宽; 基模与高次模发生模式竞争的可能性很小; 在采用圆形电子注时新结构能获得大得多的耦合阻抗; 新结构的趋肤损耗略有改善. 将该慢波结构应用于设计一支以94 GHz为频带中心的W 波段返波振荡器: 设计了简洁的慢波过渡部分、输出耦合器和终端匹配衰减器, 优化参数后获得了良好的信号传输特性; 利用粒子模拟软件CST-PS对返波振荡器模型进行了三维大信号注波互作用计算, 设定合适的电子注电流等参数后, 调整工作电压在较宽的频带内获得了瓦级的功率输出, 电子效率在整个频带范围内优于1%. 关键词： 开槽单矩形栅 圆形电子注 返波振荡器 W波段     

W波段交错双栅返波振荡器高频系统

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器,设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件,该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法,在电流12 mA时通过调节工作电压,在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出,信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好,谐波分量小。     

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。     

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。     

太赫兹波段Smith-Purcell辐射的介质加载光栅高频特性

提出了一种用于Smith-Purcell效应器件的介质加载光栅慢波结构,通过研究该结构的注-波互作用过程,推导出带电子注的色散方程,并数值求解出波的线性增长率.利用色散方程,结合电磁场传播的边界条件,推导出Smith-Purcell效应振荡器工作所需的起振电流.详细研究了高频结构长度、电子注主要参数和介质相对介电常数对起振电流的影响,并与普通金属光栅结构进行了比较.结果表明:保持其他参数不变时,高频结构长度越短,起振电流越大;保持高频结构参数不变时,起振电流随电子注厚度和注-栅距离的增大而增大,随电子注电压的增大而减小;与金属光栅相比,介质的引入提高了注-波互作用的增长率,有效减小了振荡器的起振电流.理论计算结果与软件CHIPIC的模拟结果比较符合.     

介质加载的矩形截面Cerenkov脉塞中带状电子注与慢波结构互作用的研究

本文建立了介质加载的矩形截面Cerenkov脉塞中带状电子注与慢波结构互作用的三维物理模型. 采用Borgnis函数法和场匹配法求解了多层介质中场的匹配问题, 获得了注波互作用结构的混合模热色散方程(含电子注)及其近似解. 通过数值计算, 分析了热态下介质层厚度、电子注电压、电流密度、电子注厚度及电子注与 介质层间隙距离等主要结构和电参数对注波互作用增长率的影响.     

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.     

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。     

一种宽带瓦量级交错双栅脊波导返波振荡器的研究

为满足太赫兹领域对大功率、宽带宽的太赫兹辐射源的需求,提出了一种新型交错双栅脊波导（RDSG）慢波结构。设计并优化了交错双栅脊波导返波振荡器的高频结构,同时对交错双栅脊波导和常规交错双栅的高频特性进行了仿真和对比,结果表明：当二者相速度接近时,交错双栅脊波导拥有更宽的“冷”通带带宽和更高的耦合阻抗。PIC仿真结果表明,在1 THz频段,交错双栅脊波导返波振荡器拥有超过175 GHz的可调谐带宽以及1.1 W的输出功率,比相同工作条件下的常规交错双栅结构输出功率了提高34%～42%。     

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%.     

过模返波管的正反馈机制

作为一个典型的高功率微波振荡器,过模返波管(backward wave oscillator,BWO)的束波互作用过程复杂,束流负载效应影响明显,但是作为振荡器本身,其本质就是一个正反馈电路,电子从阴极发射后,穿过谐振反射腔和慢波结构(slow-wave structure,SWS),在SWS区电子动能转化为微波能,其中的一部分微波反馈到谐振反射腔,实现对电子束的调制,其他微波通过后面输出端口向外辐射.本文根据这种正反馈机制,建立器件工作模式等效电路和束波互作用的自洽过程,从理论上给出正反馈机制对器件模式控制、起振电流等参数的影响,并模拟研究了这种反馈机制对模式控制的影响,由此设计了一个能够在(1 MV,20 kA)电子束条件下克服模式竞争的过模BWO,其微波输出功率为7.9 GW,频率为8.68 GHz,相应的效率为39.5%.     

介质加载矩形波导栅行波管的小信号增益计算

介质加载矩形波导栅行波管是一类新型毫米波大功率器件.给出了此结构引入电子束后的“热”色散方程,并利用“牛顿下山”法求解了此复杂系数超越方程,研究了介质加载以及电子束参数对小信号增益的影响.计算结果表明：介质加载可以扩大矩形波导栅行波管的带宽,而增益有所减小.为了弥补增益的降低,可以适当增加槽深度,也可在一定的范围内提高电子束电流.给出的结论对于研制此类行波管具有一定的指导意义. 关键词： 介质加载 矩形波导栅 小信号增益 “热”色散方程     

Particle-In-Cell Simulations from a X Band Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator

A high-power x-band coaxial relativistic backward wave oscillator has been conceptually designed and analyzed. The TM_on dispersion relations in the coaxial corrugated cylindrical waveguide used in the device was calculated. MAGIC,an electronmagnetic particle-in-cell code, is being used to investigated the nonlinear beam-wave interaction and other design optimization issues. Preliminary simulation results shows that the coaxial BWO can generate 2. 2 GW peak power microwave at 10. 15GHz in the TM₀₂ mode driven by a 600-KV 20-KA electron beam, the peak power efficiency is about 18%.     

Performance and pulse shortening effects in a 200-kVPASOTRONTM HPM source

The PASOTRON^TM is a unique, high-power microwave source that uses a long-pulse (⩽100 μs) plasma-cathode electron-gun and plasma-filled slow-wave structure (SWS) to produce high-energy microwave pulses. The device utilizes no externally-produced magnetic fields; relying on a beam-generated plasma channel in the SWS to transport the beam. Peak powers of up to 5 MW were previously reported in C-band using a rippled-wall waveguide SWS. Scaling experiments indicated that increasing the beam voltage above the 90 kV C-band operation produces significantly higher peak powers. We report results from an L-band PASOTRON^TM BWO designed to operate at 200 kV. The plasma-cathode E-gun built for this device generated beams with voltages of up to 225 kV and currents in excess of 1 kA for pulse lengths of up to 200 μs. The L-band PASOTRON^TM BWO produced 10-20 MW of peak power in the TM₀₁ mode, which was converted in the output to a TE₁₁ mode with fixed polarization. The PASOTRON ^TM also directly produced TE-mode radiation in the 5-10 MW power range with a rotating output polarization, the rate of which can be controlled externally. The peak power and poise width was limited by the stability of the plasma channel at high peak powers and excessive plasma generation in the SWS during the long pulse length     

Scaling studies and time-resolved microwave measurements on arelativistic backward-wave oscillator

A relativistic backward-wave oscillator (BWO) operating at a frequency near 8 GHz has been built. The parameters of the 60-ns electron beam driving this microwave source are varied over the ranges 0.8-1.5 MV and 2-10 kA. Several different annular cathodes for launching the electron beam are tried, varying the outer radius and shape. The axial magnetic field guiding the beam through the BWO is varied between 0.6 and 3 T. The power transfer downstream to an output waveguide is investigated as a function of the shape of the transition from the BWO to the waveguide. The scaling of the output power and frequency with these variations is discussed. Time-resolved measurements of 2-ns-long segments of the microwave output are shown. In observations of the microwave signal, it is found that the frequency shifts as the output power envelope passes through a sharp dip. It is proposed that this shift corresponds to a change in the longitudinal operating mode of the BWO     

带状注速调管高频结构的初步研究

 利用3维软件设计并模拟了适用于X波段高功率带状注速调管的“Ⅱ”形谐振腔，根据模拟结果分析了腔体各尺寸对电场均匀性的影响；建立了平面对称结构的3维高频互作用系统模拟平台，应用此平台讨论了扼流器法和漂移管窄壁开槽法这两种抑制漂移管中非工作模式的方法；分析了漂移管的尺寸及漂移头对谐振腔内场分布的影响。研究表明：波导高度、耦合腔宽度和高度对带状注速调管谐振腔间隙的电场均匀性影响较大；而波导长度和宽度、耦合腔长度对该电场均匀性影响不大；腔体连接处加上漂移头可使场分布更加集中；该型带状注速调管谐振腔能够产生均匀的电场，为提高注波互作用效率奠定了基础。     

220 GHz折叠波导返波管束流光学系统设计和实验研究

本文介绍了220 GHz折叠波导行波管电子束流光学系统的设计过程。总体来讲,该系统可分为收敛性皮尔斯电子枪、 磁聚束段和单极降压收集极。对于一个工作在太赫兹频段的电真空器件而言,极其细长的束流孔道让电子注以较高的流通率穿过慢波结构变得十分困难。空间电荷效应,加工装配精度和热初速等原因都是限制流通率的重要原因。研发一个具有足够流通率的实用束流光学系统对于220 GHz折叠波导返波管的研制是迫切的且十分棘手的任务。通过理论方法和数值工具,系统的三个部分将先后被设计,以满足束波互作用分析提出的电子注要求。基于这样的设计和开展的误差分析,流通管样管成功封管并进行了初步测试。实验数据表明这样的束流光学系统可以产生15.4 kV,22 mA的电子注,并能以80%以上的流通率通过直径0.19 mm,长30 mm的束流管道。     

A frequency-locked, high power, X-band dielectric Cerenkovmaser

A high-power frequency-locked dielectric Cerenkov maser oscillator is presented. The device consists of an annular electron beam traveling down a dielectric-lined waveguide (wall radius 1.74 cm, liner thickness 2-3 mm, linear ∈=10). A 100 kW input signal is injected into the drift tube between the diode and liner, through a rectangular TE₁₀ to cylindrical TM₀₁ mode converter. When operated with a beam current of 500 A and a total output power of 13 MW, the device displays no RF quenching through the full width of the 100 ns beam pulse. Two higher current cases with power as high as 280 MW but severe RF quenching are presented. The results are compared with linear theory, and quenching mechanisms are discussed