向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

 针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析，给出了电流电压关系的数值解，估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置；同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究，通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算，得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明，尽管使用圆周对称的同轴结构，输出模式中TE₁₁和TM₀₁仍占主导地位，两种模式共同存在，相互竞争。在最佳情况下，当二极管电压为250 kV，电流为20 kA时，得到了微波输出总功率最高为740 MW，功率效率超过10%，主频为3.18 GHz，同时含有较强TE₁₁和TM₀₁模式成分的微波输出。     

轴向反馈式虚阴极振荡器辐射微波模式的远场测定

 采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM₀₁-TE₁₁模式转换器时的微波辐射方向图，接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m，满足远场条件。结果表明：两种情况下的辐射主模式分别为TM₀₁模式和TE₁₁模式，从而证实了在实验装置轴对称的条件下，轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM₂模式。对辐射模式的分析表明，TM₀₁模式纯度约为90%，TE₁₁模式的辐射功率为TM₀₁模式的5%左右；TE₂₁，TE₀₁和TM₁₁模式三者的总辐射功率较TM₀₁模式低一个量级以上，微波辐射功率大于300 MW，辐射频率为4.6 GHz左右，微波脉宽大于40 ns。     

电子束激励TM模虚阴极振荡器的分析

 从理论上对实心电子束和空心电子束激励轴向虚阴极振荡器产生高功率微波的情况进行了比较分析。通过数值计算比较了在相同的结构参数条件下输出微波功率的大小。分别讨论了在激励TM₀₁和高阶TM₀₂，TM₀₃模式时电子束半径的优化值。用KARAT软件进行粒子模拟初步验证了数值计算的结果。数值计算和粒子模拟结果均表明：要在轴向虚阴极振荡器中有效地激励TM₀₁主模式，应采用实心电子束；而空心电子束则在激励高阶TM_0n模式时，可能更为有效。     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

 提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器，并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构，通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM₀₁模式的耦合效率，并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明，在二极管电压400 kV，束流50 kA的条件下，径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出，功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高，频谱非常窄。     

向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

 同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器，对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明，在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中，产生微波的主模为TE₁₁模，与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比，其主频稳定且带宽较窄；在二极管电压300kV，电流18kA条件下，获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲，效率约为3.6%，工作频率为2.7GHz。     

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

 对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果，从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定，调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV，电子束功率26.2 GW条件下，可以得到平均功率3.6 GW的微波输出，转换效率达到13.7%，主频为5.5 GHz，模式为TM₀₂模。     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

 轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波，从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明，在400 keV，8.9 kA的束流条件下，轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出，功率效率为14%，频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

一种新型同轴TEM-圆波导TE11模式变换器

 提出了一种新型同轴插板式模式变换器，可以实现同轴TEM到圆波导TE₁₁模式的变换。介绍了这种模式变换器的工作原理：即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板，将同轴TEM模变换成扇形截面波导TE₁₁模，进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性，在同轴波导中形成同轴TE₁₁模，最后将同轴TE₁₁模转换为圆波导TE₁₁模式。基于这一原理设计了一个中心频率为3.8GHz的同轴TEM-圆波导TE₁₁模式变换器，并进行了数值模拟。模拟结果表明：这种模式变换器可以承受高功率，中心频率上转换效率为98.5%，转换效率大于90%的带宽超过10%，在3.5~4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。     

高功率微波弯曲圆波导设计

 报道了可分别传输TM₀₁模和TE₀₁模的两种弯曲圆波导的设计方法和计算结果。研究表明：所设计的TM01模弯曲波导和TE₀₁模弯曲波导在中心频率上传输效率均超过99.5%，传输效率大于95%的带宽分别达到20.0%和14.4%；该两个弯曲波导也分别适用于传输TE₁₁模和TM₁₁模；水平极化TE₁₁模与TM₀₁模、垂直极化TM₁₁模与TE₀₁模在弯曲圆波导中传输时具有相似的传输效率和频带特性；而垂直极化TE₁₁模、水平极化TM₁₁模由于不易和其它模式耦合，在弯曲波导中传输时具有较高的传输效率。     

圆波导TE11主模辐射方向性系数的误差分析

 对不同尺寸圆波导TE₁₁模，以及TE₁₁和TM₀₁不同比例混合模式的辐射情况进行了模拟研究，得到了E面、H面功率方向图，通过高功率微波远场测量常采用的假设方向图对称的方法，计算出E面、H面方向性系数，并与模拟得到的方向性系数进行对比。结果表明：TE₁₁单模及TE₁₁模与功率占5%，10%的TM₀₁模混合情况下，H面方向性系数与模拟得到的方向性系数最大差值小于0.8 dB，E面方向性系数与模拟值最小差值大于1 dB。因此，在这些情况下，H面方向性系数更接近于方向性系数，采用H面方向性系数计算功率结果更接近实际值。     

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器，通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程，并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明，采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出，同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质，没有截止频率，但纵向电场不为零，电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明，在器件半径仅为4.0 cm，电子束能量240 keV，电子束流1.8 kA，导引磁场仅为0.75 T时，返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出， 平均峰值功率达140 MW，平均峰值功率效率约为32%。     

高功率同轴波导Ubitron放大器的高频特性研究

 用三维非线性理论，对高功率同轴波导Ubitron放大器进行了研究。该Ubitron放大器采用环形相对论电子注与同轴波导的TE₀₁模相互作用。通过数值模拟，在Ku波段得到了2.24MW的输出功率，其效率为10.9%，带宽为35% 。数值计算结果表明：电子注的自场导致饱和功率减少，频带变窄，增益下降。使用摇摆器幅值渐变，器件工作效率从10.9%提高到12.3%。     

同轴虚阴极振荡器数值模拟

 给出了同轴型虚阴极振荡器的数值模拟和部分理论分析结果, 指出许多几何结构参数包括阴极宽度、二极管间隙等都对输出微波的频率、带宽和能量转换效率有较大的影响。给出了这些参量之间关系的数值模拟结果，在一定程度上为同轴虚阴极振荡器的实验研究提供了理论基础。     

新型双间隙虚阴极振荡器的理论分析和数值模拟

 该新型双间隙虚阴极振荡器的互作用区为一带孔金属薄膜隔开的两个圆柱形谐振腔；器件采用侧向提取同轴输出的方法，具有输出效率高和输出模式纯的优点；第一阳极薄膜采用了局部薄膜结构。对互作用腔进行冷腔分析，计算得到互作用腔Ⅰ和Ⅱ的品质因子分别为6 960和71.8，共振频率为2.3 GHz。当电子束电压为515 kV、电流为10 kA时，通过参数优化，模拟得到周期平均峰值功率大于570 MW、频率约2.4 GHz的微波输出，效率达到11%。模拟还发现电子束的最佳阻抗值约为51.5 W；电子束的输入功率在较大范围内变化时，器件的输出效率保持大于10%；在一定的范围内，器件的输出效率随电子束密度的增加而增加。对器件中由于电子能量沉积而引起的阳极膜的温升进行了估算，得到膜的最高温度为434 K，远低于熔点933 K。     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化，解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低，进行了高频结构优化设计，显著地展宽了工作频带，提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上，建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型，进行了粒子模拟计算和优化，得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV，注电流13 A，电子注横向速度与纵向速度比为1.5时，中心频率69.81 GHz输出功率256 kW，带宽160 MHz，电子效率28%，饱和增益大于44 dB。