双微波源共轴辐射馈线结构的设计

设计了一种将两个不同波段微波源输出微波馈向同一个馈源喇叭的双波段馈线结构。该结构不仅对两个微波源输出的TM01模进行了有效的模式转换,而且实现了两个波段的微波共用辐射天线。采用双弯曲圆波导模式转换器实现高频段微波源输出微波的模式转换和轴线的定量平移;采用中间模式为矩形波导TE10模的圆波导TM01模-同轴波导TE11模的模式转换器,实现低频段微波源输出微波的模式转换及与高频段微波源输出微波的共轴输出。数值仿真结果验证了设计思路的正确性。     

全腔输出相对论磁控管输出模式转换结构的理论设计和数值模拟

采用全腔输出结构后,相对论磁控管径向尺寸显著减小,轴向长度也有较大幅度的缩短.但是,由于输出结构为三个相对独立的扇形波导,实际应用时,一般需要对微波输出模式进行转换.针对全腔输出相对论磁控管,本文研究了两种输出模式转换结构并利用三维全电磁粒子模拟程序对其进行了研究.首先研究了将三个扇形波导角向增宽从而渐变或者突变为一个同轴波导的情况,研究结果表明,两种情况下输出微波功率均大于采用传统三个独立扇形波导输出时的90%,输出模式主要是TEM模.其次研究了输出区由三个扇形输出波导分别变换为三个截面大小与之接近的矩形输出波导的可行性,研究结果表明,注入扇形波导中的TE₁₁模式几乎全部转换为矩形波导中的TE₁₀模式.实际应用时,可根据需要选择上述输出模式转换结构.     

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。     

透明阴极实现相对论磁控管跳频的仿真北大核心CSCD

基于一个6腔同腔结构相对论磁控管,透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2π模式,减少为腔体数目一半时易于工作在π模式,提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案.经仿真优化,设计了外径15mm,6个扇形金属条的透明阴极,每个扇形金属条的角向宽度为20°.运用粒子模拟软件,仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况,在工作磁场保持0.75T,调节工作电压在600~800kV 内变化时,模拟结果表明,相对论磁控管可以很稳定地分别工作在2π模式和π模式,即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变.     

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     

相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究

透明阴极技术对相对论磁控管振荡启动过程具有显著影响,但其加速启动过程的作用机理仍有待深入研究。对采用扇形单元透明阴极的L波段相对论磁控管进行数值模拟,分析了场分布模式和带电粒子空间运动规律,发现透明阴极与实心阴极在磁控管振荡启动过程的差异。可见透明阴极带来的静电场角向分量与外加轴向磁场引起的洛伦兹力,对初始工作状态的电子具有向阳极加速漂移的作用。采用透明阴极的相对论磁控管的电子轮辐外缘更贴近阳极,群聚电子在轴向上具有随距离连续变化的速度分布,使得电子与高频电磁场的能量交换更加充分。对扇形阴极单元的个数与张角组合的匹配效果进行了模拟,给出了磁控管振荡建立阶段静电场角向分量对阴极电子发射与漂移运动的作用规律。透明阴极的设计需要与磁控管慢波结构相匹配,以得到最优化的工作状态。     

高功率平板波导螺旋阵列天线设计

提出了一种工作在C波段的高功率平板波导螺旋阵列天线。以平板波导馈电,降低了馈电复杂性和馈电结构高度;对基本的电探针结构进行改进,通过控制扇形缝隙的圆心角大小来调整耦合量,并采用上下脊结构消除反射;设计了短螺旋天线结构,通过分离的参数分别优化轴比和反射,得到天线的轴比在?7°～7°的范围内小于0.5 dB;构建了一个20单元的直线馈电阵列,通过电探针结构从平板波导中耦合能量,实现了20单元的等幅馈电。最后仿真了一个工作在4.3 GHz,包含20×20个单元的螺旋阵列天线,结果表明:该天线的增益为31.6 dB,口径效率为74%,在4.11～4.43 GHz的频带范围内反射小于?16 dB,功率容量3.6 GW。     

微盘腔垂直耦合器特性的拓展分析

利用垂直于微盘腔边界的波导与腔耦合是一种新开发的耦合技术. 采用有限元数值模拟方法对垂直耦合器的腔尺寸适应性、波长适应性和端口扩展性做出详细分析. 结果证实: 垂直耦合器在大尺寸腔中或者多个波段均有效; 并且多个垂直耦合器可以和同一盘腔交换能量, 实现滤波、分束、光路交叉的功能. 垂直耦合器在以微腔为元件的集成光路中的应用将使材料选取和光路排布更为灵活. 关键词： 微纳光学 微腔 回音壁模式 垂直耦合器     

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%。     

径向线型模式变换器

 研究了一种通过改变波导内场分布的旋转对称性,可将高功率微波源输出的TEM模或TM01模转换为TE11模的径向线型模式变换器。介绍了该模式变换器的基本原理,即采用金属插板将同轴波导TEM模变换为4路90°扇形波导TE11模,各路扇形波导间所需的输出相位差通过将扇形波导转换为双层径向线传输来实现。基于这一原理,设计了一个中心频率为1.6 GHz的同轴TEM-TE11模式变换器,并进行了数值模拟计算,结果表明该模式变换器具有较高的功率容量,中心频率处反射系数为0.05,模式转换效率为99%,在1.52~1.68 GHz的频带范围内,模式转换效率大于90%。     

Multiplication of the drive signal frequency in a relativistic microwave amplifier with a rod slow-wave structure

A theory is developed for the one-dimensional nonlinear multimode simulation of a Cerenkov maser of special configuration (antenna-amplifier [1, 2]) where a tubular relativistic electron beam propagates along a circular waveguide with a dielectric rod. The operating mode is the fundamental azimuthally asymmetric HE ₁₁ mode. Harmonics at the input signal frequency can be amplified because they fall into the amplification bands for higher modes. At certain parameters, the output power at the second or third harmonic may considerably exceed that of the amplified signal at the fundamental frequency. The powers of output harmonics can be efficiently controlled by varying the point of electron beam extraction from the interaction region, as well as by varying the input frequency or by switching the polarization of the input signal from linear to circular.     

Mode control in a high-gain relativistic klystron amplifier

Middle cavities between the input and output cavity can be used to decrease the required input RF power for the relativistic klystron amplifier.Meanwhile higher modes,which affect the working mode,are also easy to excite in a device with more middle cavities.In order for the positive feedback process for higher modes to be excited,a special measure is taken to increase the threshold current for such modes.Higher modes' excitation will be avoided when the threshold current is significantly larger than the beam current.So a high-gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam of current 5 kA and beam voltage 600 kV.Particle in cell simulations show that the gain is 1.6×105 with the input RF power of 6.8 kW,and that the output RF power reaches 1.1 GW.     

Mode control in a high-gain relativistic klystron amplifier

Middle cavities between the input and output cavity can be used to decrease the required input RF power for the relativistic klystron amplifier. Meanwhile higher modes, which affect the working mode, are also easy to excite in a device with more middle cavities. In order for the positive feedback process for higher modes to be excited, a special measure is taken to increase the threshold current for such modes. Higher modes＇ excitation will be avoided when the threshold current is significantly larger than the beam current. So a high-gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam of current 5 kA and beam voltage 600 kV. Particle in cell simulations show that the gain is 1.6 × 10^5 with the input RF power of 6.8 kW, and that the output RF power reaches 1.1 GW.     

30GHz RF脉冲压缩器设计

为得到脉宽150ns，功率超过100MW的30GHz微波脉冲，采用MSLED-II原理设计了30GHz RF-脉冲压缩器。H-Hybrid，TE100口-TE10o模式转换器等器件都采用了新型设计，所有微波器件的设计充分考虑了高功率下的适用性，没有容易引起打火的调谐杆、容性膜片等部件。在微波器件的设计中用HFSS软件进行了详尽的模拟。加工并测试了H-Hybrid，且用在CERN的RF脉冲展宽器上。     

非均匀磁场下14叶片5.8 GHz磁控管的三维数值模拟

频谱噪声的抑制问题一直是磁控管的研究重点。对14叶片5.8 GHz磁控管进行了三维建模,包括阴极、叶片、隔膜带、极靴和输出天线等。使用冷腔模拟得到了模腔体频率5.86 GHz。热腔模拟计算得到7个电子轮辐,说明管子在模正常工作。在某种极靴结构下,计算得到腔体中存在一个近似二次曲线的非均匀磁场分布。在阳极电压4.5 kV、非均匀磁场中心值0.289 T时,模拟得到输出频率5.891 GHz,阳极电流1.55 A,输出功率4.9 kW,电子效率70.3%的结果。输出频谱比较干净,抑制了非模式的工作,提高了工作效率。     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystron with coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is680 k V and current is 4 k A, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

X-band dielectric Cerenkov maser amplifier experiment

An X-band dielectric Cerenkov maser amplifier experiment is reported. The amplifier system consisted of a solid, thermionically generated electron beam propagating through a cylindrical waveguide partially filled with an annular, dielectric liner. The input signal was provided by a tunable (9-10.3 GHz) magnetron with power up to 10 kW. Electron beam voltages and currents of up to 250 kV and 100 A could be generated for 1 μs pulse durations. The system was configured to operate in the TM₀₁ mode of the dielectric-lined waveguide. In this experiment the gain of the system with respect to the length of the dielectric liner was studied at a fixed input frequency of 10.3 GHz. At electron beam parameters of 160 kV and 60 A, a power gain of 24 dB over 56 cm of interaction length was measured for an input power of 4.5 kW, corresponding to a maximum RF amplified power of 1.15 MW and 12% efficiency