径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

 基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5 Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。     

X波段渡越管振荡器频谱诊断

 介绍了X波段渡越管振荡器的频谱诊断系统，并根据频谱测量结果对X波段渡越管振荡器的结构参数和工作参数进行了调整，使X波段渡越管振荡器的微波输出结果有了明显改善。     

X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验研究

提出了一种新结构的X波段五腔渡越管振荡器，进行了理论和实验研究。根据场分布进行了一维非线性分析，结果表明该结构可以产生高功率微波，并判断了工作模式，为TM01模的3π/5模。采用粒子模拟验证了一维非线性分析的结论，并优化设计出五腔渡越管振荡器,优化结果为:输出功率约1 GW， 工作频率9.3 GHz，束波转换效率约22%。实验中，通过参数调节，得到频率约9.25 GHz，峰值功率约780 MW，脉宽（半高宽）21 ns的输出微波，束波转换效率约为16%。实验结果与模拟结果基本符合。     

X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验研究

 提出了一种新结构的X波段五腔渡越管振荡器，进行了理论和实验研究。根据场分布进行了一维非线性分析，结果表明该结构可以产生高功率微波，并判断了工作模式，为TM₀₁模的3π/5模。采用粒子模拟验证了一维非线性分析的结论，并优化设计出五腔渡越管振荡器,优化结果为：输出功率约1 GW， 工作频率9.3 GHz，束波转换效率约22%。实验中，通过参数调节，得到频率约9.25 GHz，峰值功率约780 MW，脉宽（半高宽）21 ns的输出微波，束波转换效率约为16%。实验结果与模拟结果基本符合。     

径向速调管振荡器的理论设计与数值模拟

 分析了一次性微波源—基于渡越时间效应的径向速调管振荡器的微波产生和起振条件。进行了GW级功率输出径向速调管振荡器的理论设计和数值模拟,得到1.6×2GW(f=6.0GHz)的峰值功率微波输出（周期平均）,在给定的电压脉冲条件下,微波脉冲宽度约为40ns（FWHM）。     

边加载径向三腔渡越时间振荡器设计

 提出了一种边加载结构的径向三腔渡越时间振荡器。通过1维单粒子理论研究了直流渡越角和电压调制系数对束-波互作用效率的影响,并进行了2.5维数值模拟验证。数值模拟研究表明:该器件具有低阻抗、高效率、输出微波频率单一稳定等特点。在400 kV,60 kA无外加引导磁场的条件下,获得了平均功率为8 GW,频率为3.9 GHz的微波输出,效率达33.3%,阻抗仅为6.7 Ω。     

Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟

当传统高功率微波器件向高频段拓展时,器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构,器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构,与两腔结构相比,调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟,在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下,在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出,功率转换效率达20%。     

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明：三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波，微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距，随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV，电流4kA的条件下，模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW，频率5GHz，起振时间约3.5ns，峰值功率效率大于37%。     

C波段新型渡越管模拟研究

 在三腔渡越管的基础上设计了一种工作在C 波段的新型低阻轴向六腔渡越管，其阻抗为15 Ω左右，采用同轴输出。该器件采用大面积发射阴极，无须外加磁场，结构简单紧凑。采用2.5维PIC软件对该器件进行了2维数值模拟，在输入电压为483 kV、电流为32.5 kA的条件下，输出微波平均功率达到3.0 GW，主频为3.75 GHz，微波模式为TEM模。微波功率效率大于19%，比普通低阻抗器件有明显提高。     

利用场耦合理论研究开放微波谐振腔

利用电磁场的等效原理，将一个开放微波腔等效于一个闭合边界微波腔（即封闭微波腔）和开放边界（即行波吸收边界）两部分，然后利用等效封闭微波腔的本征模式及其与开放边界的耦合，建立了关于开放微波腔模式（即模式场分布、频率、品质因子）的耦合方程组，其中开放边界为行波吸收边界.以X波段六腔渡越振荡管为例进行分析，将该振荡管等效为封闭微波腔和同轴输出结构两部分，用SUPPERFISH获得封闭腔的各个模式场分布及频率，然后根据封闭微波腔与开放边界的耦合，求得六腔渡越振荡管的工作模频率为9.25GHz，品质因子为115.2，与实验测量结果基本符合. 关键词： 微波腔 本征模式 场耦合 渡越振荡管     

新型径向边加载渡越时间振荡器

 根据渡越时间效应3维理论研究,设计了一种工作于6.1 GHz的新型径向边加载渡越时间振荡器。为增强电子束在谐振腔中的横向摆动,部分加大了高频结构中金属圆筒端部的宽度,以增大横向电场的的分布区域。3维理论分析表明,该器件的效率可以超过50%。粒子模拟研究表明,该器件在170 kV,18 kA的电子束激励下,平均输出功率达到1.6 GW,束波互作用效率为52.3%。     

径向渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对径向渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像，得出了输出微波功率与提取口大小、腔的径向间距、场模式之间的关系。模拟得到了峰值功率约500MW，频率5GHz的TEM₁波，起振时间15ns，峰值效率大于30%。     

三腔渡越管振荡器高频结构的解析研究

 从圆柱坐标系下Borgnis位函数的齐次标量Helmholtz方程出发,引入慢波驻波概念及其场表达式,利用Borgnis位函数的边界条件及相邻子区公共界面上的场匹配条件,导出了三腔渡越管振荡器内角向均匀TM模的色散关系及场分布的解析表达式。运用该解析法求得三腔渡越管振荡器的谐振频率与实验中测得的微波频率一致,求得的场分布与数值法得到的场分布十分吻合。     

X波段渡越管振荡器的粒子模拟和优化设计

 提出了一种新型的渡越管谐振腔结构，通过全电磁2.5维相对论粒子模拟程序证实电子束可以与这种谐振腔结构发生互作用；基于该谐振腔结构，用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序设计优化了可工作在X波段的渡越管振荡器，其输出功率大约1.7GW，束波转换效率约37%。     

径向渡越时间振荡器的初步实验研究

 对径向渡越时间振荡器进行了实验研究，在非最优化条件下得到了辐射功率大于30MW、主频为3.66GHz的微波，同时研究了微波功率随电压、电流的变化，所得结果和规律与理论分析和数值模拟基本相符。     

多腔谐振腔中渡越时间效应的线性理论

 以小信号条件下入射相位为φ0的单个电子在驻波电场中的运动为基础,研究了电子束在多腔谐振腔 π 模驻波场中的渡越时间效应,导出了多腔谐振腔的电子负载电导的表达式,讨论了腔数N对渡越时间效应的影响。     

径向渡越时间振荡器互作用特性的流体理论分析

 用线性流体理论分析了径向渡越时间振荡器谐振腔中电子束与高频场的相互作用，通过数值求解得到了其中束 场能量交换等随直流渡越角的变化规律。与单电子模型的分析结果相比较，流体模型所得结果更具有普适性。     

X波段渡越辐射振荡器的理论和实验

研究了电子束在任意驻波场中的渡越辐射，并结合课题的需要探索了基于渡越辐射在X波段产生高功率微波的可行性。研究工作包括以下部分。     

一种新型结构低阻抗渡越辐射振荡器

 设计了一种不加栅网结构的低阻抗渡越辐射振荡器器件,器件阻抗为20 Ω左右,采用同轴输出,具有所需导引磁场小、起振时间较快等优点,可望工作在重频和长脉冲状态。PIC粒子模拟表明,在输入电压和电流分别为550 kV和27.6 kA、约束磁场为0.8 T的条件下,在S波段3.175 GHz得到了平均功率大约4.0 GW的微波输出,束-波转换效率为26.4%。     

SiGe HBT集电结耗尽层渡越时间模型

集电结耗尽层的渡越时间是影响晶体管交流放大系数和频率特性的重要参数。本文分三种情况求解了SiGe HBT集电结耗尽层宽度。建立了不同集电极电流密度下的集电结耗尽层渡越时间模型，该模型考虑了基区扩展效应。利用MATLAB对该模型进行了模拟，定量地研究了集电结反偏电压、集电区掺杂磷或砷的浓度、集电区宽度对集电结耗尽层渡越时间的影响。模拟结果表明：随着集电结反偏电压、集电区掺杂浓度以及集电区宽度的增大，集电结耗尽层渡越时间增大；集电结耗尽层渡越时间对薄基区的SiGe HBT频率特性影响显著，不能忽略。