大功率行波管两级降压收集极的设计

主要介绍了某X波段大功率耦合腔脉冲行波管两级降压收集极的CAD分析、结构设计及研制结果。通过使用国营第七七二厂2.5维互作用程序软件包(TWTC软件)对行波管输出端96条电子轨迹的半径,轴向、径向速度模拟并分析,判断电子注层流性情况,然后对两级降压收集极进行光学设计、结构设计和热分析,装管验证结果表明:实测值结果与理论计算的两级降压收集极各电极电流分配比例、收集极效率等参数接近。     

等离子体-腔混合模耦合腔行波管非线性注-波互作用分析

 用模式展开的方法分析了等离子体-腔混合模耦合腔行波管的非线性注-波互作用过程，导出了其考虑相对论效应的非线性注-波互作用自洽工作方程组。用格林函数法求解各向异性背景等离子体（介电常数张量）下的空间电荷场。编写了计算机模拟软件，用来分析等离子体-腔混合模耦合腔行波管的增益、效率、输出功率、瞬时带宽等重要的非线性特性，计算结果表明：工作在等离子体-腔混合模式下的耦合腔行波管，瞬时带宽达到20%~30%，效率达到50%以上。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

螺旋线行波管三维多频非线性理论分析和数值模拟

建立了螺旋线三维多频非线性互作用模型.通过场论的方法建立线路场方程,结合粒子模拟（PIC）方法和谐波展开法,建立三维空间电荷场模型.模拟了8—18GHz宽带行波管的基波和高次谐波,计算了AM-AM幅度失真和AM-PM相位失真,三次交调和五次交调分量.通过频率扫描得到的8—18GHz饱和输出功率和饱和增益,结果与热测结果接近,且饱和输出功率误差在1dB以内. 关键词： 注波互作用 三维 非线性 螺旋线行波管     

有限尺寸宏粒子空间电荷场研究

 用格林函数理论导出了圆柱对称系统中有限尺寸宏粒子一维和二维空间电荷场权函数的表达式，比较了有限尺寸宏粒子空间电荷场权函数与圆盘或圆环模型空间电荷场权函数的差别，得到了与圆盘或圆环模型空间电荷场权函数[1]不同的、更合理的计算结果。并用这两种空间电荷场权函数模拟了螺旋线行波管中的注波互作用过程，得到了其输出功率曲线，表明了用有限尺寸宏粒子计算的互作用输出功率比圆盘或圆环模型计算的输出功率饱和位置提前，饱和值增加。     

螺旋线行波管三维返波互作用理论与数值模拟

建立了三维非线性返波互作用模型,用于精确分析大功率螺旋线行波管中返波振荡非线性过程问题,并提出了计算返波振荡功率的方法及磁场抑制手段.该理论模型包括三维线路场方程、三维运动方程以及三维空间电荷场.首先比较三维模型与原有一维模型之间的差异,发现一维空间电荷场的径向交流电流分布模型与三维模型的差异是导致振荡频率偏大及起振长度缩短的主要原因.然后计算返波饱和输出功率大小并揭示返波饱和功率和振荡频率与互作用长度的关系,并探讨了磁场对返波振荡的抑制影响.最后以某一毫米波行波管为例,实验对比了一维与三维模型计算的振荡频率与热测的差异,其中三维模型的相对误差小于4.8%.     

螺旋线行波管注波互作用时域理论

研究了螺旋线行波管中电子注与高频场互作用的时域理论.电子对场的作用由高频场方程和空间电荷场方程模拟,场对电子注的作用由运动方程模拟.在螺旋导电面模型下利用安培环路定理和法拉第电磁感应定律得到了时域高频场方程.利用空间电荷波模型处理空间电荷场,得到了空间电荷场方程.将高频场和空间电荷场代入洛伦兹力方程,得到了运动方程.利用耦合阻抗处理高频场方程的激励源,使得高频场方程的求解能够借助诸如HFSS或HFCS等高频模拟软件来实现,增强了时域理论的灵活性.基于上述理论,编写软件数值模拟某螺旋线行波管,验证了时域理论的可行性.     

Ka波段分布作用速调管降压收集极设计

为满足无线传能系统对高效率大功率毫米波功率源的迫切需求,开展大功率连续波速调管高效率技术研究,采用降压收集极技术实现速调管在效率上的有效提升。主要介绍了某Ka波段大功率连续波分布作用速调管(EIK)降压收集极的设计方案,包括注-波互作用后废电子能量分布及行为特性的研究,收集极初始条件、结构及电极电压的设计,给出了单级降压收集极和两级降压收集极的设计和计算结果。三维粒子模拟(PIC)计算结果表明,该Ka波段连续波EIK采用单级降压收集极时回收效率为41.0%,采用两级降压收集极时回收效率为68.8%,EIK总管效率相比于未采用降压收集极技术时的27.5%上升至54.8%,表明通过降压收集极技术可有效提升毫米波大功率速调管工作效率。     

基于伽辽金级数的空间电荷场计算模型

利用局部伽辽金矩量法,建立了电子注空间电荷场的2.5维计算模型. 将空间电荷场在径向展开为各个模式的叠加,利用伽辽金级数表示,通过求解其系数方程组, 最终求得空间电荷场.利用本文的模型,计算分析了电子注空间电荷场的特性, 并研究了模型中仿真参量对空间电荷场计算结果的影响.本文的空间电荷场计算模型利用粒子模拟基本方法, 可以应用到速调管注波互作用计算模型中.     

行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用普遍理论

在同时考虑多信号输入和相对论效应的情况下，利用波导激励理论获得了行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用的全三维自洽工作方程组，包括激发方程、运动方程、能量转化方程、相位演化方程等，适合大部分行波管中慢电磁行波与电子注的非线性互作用过程.利用该理论具体分析了一个宽带螺旋线行波管在多信号输入时的交叉调制，并与实验结果进行了比较，验证了理论和计算的正确性.另外，还模拟了一个相对论盘荷波导行波管中的非线性注波互作用过程. 关键词： 行波管 慢电磁行波 非线性注波互作用 交叉调制     

考虑谐波互作用的行波管欧拉非线性理论模型

基于拉格朗日体系的考虑谐波互作用的理论模型,将离散的粒子近似处理为流体,得到电子相位的连续分布函数.对电子相位连续分布函数进行傅里叶一阶展开,并结合贝塞尔母函数关系式,建立了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型.应用考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型对一支L波段空间行波管和一支C波段空间行波管进行大信号分析,并与拉格朗日理论模型进行对比.结果表明:在增益1dB压缩点之前,考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型与拉格朗日理论模型十分符合,增益最大误差不超过4%.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型能够有效的对增益1 dB压缩点之前的谐波进行分析.仿真结果验证了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型的正确性和有效性.考虑谐波互作用的欧拉非线性理论不但提供了一个谐波快速计算模型,而且为后续研究行波管谐波的产生机理与抑制方法奠定了基础.     

螺距和磁场强度与周期的跳变在Ka波段行波管中的应用

以弱色散特性的扇形金属-介质夹持杆螺旋线慢波结构的Ka波段行波管作为研究对象,进行了互作用特性仿真研究。采用螺距跳变和磁场跳变技术进一步提高了该行波管在工作频带的输出功率和电子效率,并解决了电子注散焦问题。设计结果表明:当工作电压为9 kV、工作电流为210 mA时,行波管在24~40 GHz整个频带内,各频点的增益在37.7~48.7 dB之间,电子效率在15.18%~19.42%之间,输出功率大于286 W。此结果较之均匀周期的设计结果,电子效率增幅在4.19%以上,输出功率增长率在4.3%以上,尤其在26~37 GHz范围内,电子效率增幅达到了11.8%以上,输出功率增长率达11.9%。     

Design of a tapered helix for suppressing backward wave oscillations in MMW TWT’s

Backward wave oscillations are easy occurred in high power helix millimeter wave traveling wave tubes (MMW TWT’s), owing to larger ka value and higher operating voltage. The start current of backward wave is calculated for helix TWT in Ka band. It is shown that start current will increase by used a tapered helix. Backward wave oscillations can be suppressed in tube. The design method of the tapered helix is given in this paper.     

A Fast Computation of the Start-Oscillation Current of Backward Wave in MMW HTWT's

Backward wave oscillation can be troublesome in high power helix TWT, especially millimeter wave helix traveling wave tubes (MMW HTWT's). To suppress these oscillations, start-oscillation current of backward wave has to know when MMW HTWT's are designed.A fast computation of the start-oscillation current for MMW HTWT's is presented. It is shown that the computed values are agreed with the experimental results in Ka band.     

圆波导梳状慢波结构的耦合阻抗

 对目前慢波结构的模拟计算中存在的问题进行了深入分析，并提出了新的计算耦合阻抗的方法。研究了圆波导梳状慢波结构基波的耦合阻抗,其值可以在较宽频带内大于1 W。该结构内孔径为波长的1/4~1/3，是同一频段螺旋线慢波结构的5倍左右，能容纳比螺旋线大25倍的电流，能够承受比螺旋线大25倍的平均功率。互作用计算表明采用这种慢波结构的行波管在Ka波段可获得的最高功率达170 kW。     

新型半矩形环螺旋线慢波结构高频特性

针对行波管更高工作频率和更大输出功率的发展需要,提出了一种半矩形环螺旋线慢波结构。基于三维电磁仿真软件HFSS的模拟研究表明:调控慢波结构的尺寸可以获得合适的色散特性和互作用阻抗,与现有技术的半圆环螺旋线慢波结构相比较,半矩形环螺旋线慢波结构的色散变化很小,但是具有更高的互作用阻抗值。新结构具有平坦色散、高互作用阻抗、与微细加工技术相兼容以及方便与带状电子束互作用的综合优点。     

行波管中多级降压收集极效率评估的研究

在行波管中,多级降压收集极(MDC)效率由于其与总效率的关系密切而显得非常重要. 而在设计MDC之前对其效率和行波管的总效率进行准确的评估可以把握管子的整体性能, 并为相关软件的开发提供理论指导,因而对MDC的优化和行波管总效率的提高具有十分重要的意义. 虽然Kosmahl在1980年就给出了MDC的效率评估公式,但其预测值比实测值偏高较多, 因而需要更为准确的评估公式.本文首先引入耗散公差的概念, 然后建立作用完电子注等差三角能量分布模型推导了MDC效率评估的公式,与Kosmahl给出的预测相比, 新公式的估计结果更接近实测值.最后根据MDC效率最高和各个电极上耗散能量最低这两个极值条件, 给出了MDC最佳电极级数的选取公式,其预测结果合理而且准确.     

Electronic spectrum and ballistic transport in a helical nanotube

A model of a helical nanotube permitting analytical calculation of the spectrum and wave functions is proposed and studied. It is shown that the specific character of the symmetry of the Hamiltonian results in an electronic spectrum having no band structure despite the periodicity of the potential along the system axis. A two-dimensional ribbon rolled into a helix and a quasi-one-dimensional helix in a magnetic field are considered as limiting cases of the model. It is shown that the presence of additional local minima in the subbands of the electronic spectrum leads to a nonmonotonic dependence of the ballistic conductance of the system on the chemical potential.     

A re-examination of the traveling wave interaction

A re-examination of the traveling wave interaction (in the helix traveling wave tube and the free-electron laser) is performed using three-dimensional linear stability analyses for an idealized annular electron beam model in order to investigate the validity of the well-known scaling laws in which the gain varies as the cube (fourth) root of the current when space-charge effects are negligible (dominant). The results indicate that these scaling laws are simplistic generalizations which break down for broad bandwidth interactions, and that the actual variation of the pain, with the current can be more complex. A three-dimensional nonlinear analysis of a free-electron laser using a more realistic electron beam model is also discussed in which these scaling laws are also shown to break down,