回旋速调管注波互作用瞬态非线性理论与模型研究

本文利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程.探讨了调制腔、中间腔、和输出腔中注-波互作用的模型和研究方法,考虑了电子速度零散对注-波互作用的影响.最后利用FORTRAN语言给出并分析了一支Kα波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,经与实验值和PIC模拟结果相比较,三者较为符合. 关键词： 回旋速调管 电子注-波互作用 瞬态非线性理论     

回旋速调管放大器注-波互作用分析

 给出了自洽非线性大信号理论分析方法，在理论分析和高频计算的基础上，建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型，对其进行数值计算。研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响，通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟表明：在工作电压65 kV，注电流8 A，电子注横向与纵向速度比为1.5时，输出功率230 kW，带宽230 MHz，电子效率45%，饱和增益33 dB。     

回旋速调管放大器时域非线性理论与模拟

研究了一种回旋速调管放大器时域非线性理论模型.该模型由广义电报方程来表示回旋速调管内的电磁场,采用引导中心近似的电子运动方程来推动粒子,由粒子更新得到的电流密度为源激励电磁场.基于上述理论模型,从回旋速调管电子注横向速度满足高斯分布出发,建立了速度分散的分布模型,编写了相应的时域非线性注波互作用模拟程序,对回旋速调管放大器的注波互作用进行了深入的分析和研究,并应用粒子模拟软件与自洽非线性模拟程序进行对比验证,两者结果基本一致.     

渐变复合腔回旋管高次谐波注-波互作用非线性模拟

利用含电流的传输线方程,在考虑多模与电子注互作用及多模耦合的情况下,对三次谐波渐 变复合腔回旋管进行了非线性模拟,计算了H₅₁-H₅₂模式下三次谐 波注波互作用,分析了多模对注-波互作用的影响. 关键词： 回旋管 渐变复合腔 多模注-波互作用 模式耦合 高次谐波     

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。     

95 GHz三次谐波回旋管设计

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管,注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔,工作模式为TE64, 采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下,非线性理论分析表明,该回旋管可以获得14 kW功率输出,横向互作用效率约为18%,整管效率约11%。     

8 mm二次谐波回旋速调管谐振腔设计研究

 结合回旋速调管研究的相关理论，考虑到高次谐波工作时带来的模式竞争，以及注-波互作用的耦合关系，讨论了在半径、腔长、杂模抑制以及腔内媒质涂层的介电参量等诸多因数影响的情况下，如何设计二次谐波回旋速调管谐振腔的问题。结合设计方法建模，优化设计出了5个适于8 mm二次谐波工作的谐振腔，通过漂移段连接成两种高频结构，其中一种结构在注-波互作用非线性模拟中取得了251 kW的输出功率，电子效率 23.9%，增益 27.2 dB，3 dB带宽大于0.4%；另一种结构初步取得了246 kW的输出功率，其它参数正在测试之中。     

突变复合腔回旋管自洽场理论与模拟

研究了具有突变结构复合腔回旋管注波互作用自洽非线性理论.用场匹配方法处理了腔中的突变结构,从具有电子流源的普遍传输线方程出发,研究了腔中注波互作用非线性理论,在腔直径渐变部分考虑了模式之间的耦合.利用此非线性理论模型,对突变结构复合腔三次谐波回旋管中电子流与H511—H521模式对的高频场互作用进行了详细数值模拟,得出了许多有价值的结果.计算结果表明,在合适的腔体结构尺寸下,注波互作用效率可大于25%. 关键词：     

3 mm波段回旋速调管放大器设计与粒子模拟

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。     

8mm波段三次谐波复合腔回旋管的非线性分析

利用含电流的传输线方程,在考虑了诸多实际因素影响的情况下,对三次谐波渐变复合腔回旋管进行了自洽非线性模拟,计算了H₅₁₁-H₅₂₁模式下三次谐波多模注波互作用,分析了电子注的厚度、速度零散、速度比α值及磁场波动对多模注波互作用的影响 关键词： 回旋管 复合腔 多模注波互作用 速度零散 速度比α     

Preliminary Design of a Ka-Band Second Harmonic Gyroklystron Amplifier

The preliminary design of a Ka-band, second harmonic, three cavities gyroklystron amplifier is presented. The beam-wave interaction in the second harmonic gyroklystron amplifier is studied by using a particle-in-cell code, and the validity of the design of the microwave circuit is also discussed. The results show that this gyroklystron can produce an output peak power of over 200kW with 20dB gain and 20% maximum efficiency at 35GHz.     

Analysis and Numerical Calculations of the Beam-Wave Interaction for Gyroklystron Amplifiers

A four-cavity gyroklystron was designed and optimized after analysis and calculation of RF system and magnetron injection gun, numerical simulations showed that the TE₀₁₁ mode gyroklystron achieved 280kW peak output power, 38% efficiency, 35dB saturated gain with 250Mhz bandwidth centered at 34GHz for a 68 kV, 11A electron beam. The numerical simulation results were used to build a Ka band high power gyroklystron amplifier. In this paper, analysis and numerical calculation results of the beam-wave interaction are presented. The influences of electron beam, RF system parameters, magnetic field, and input RF signal on output power, efficiency, bandwidth and gain are discussed.     

Efficiency enhancement in gyroklystrons with a nonuniform static magnetic field

The main equations needed to calculate the efficiency of a gyroklystron in the one-velocity approximation and in the presence of a spread in electron velocities are given. The influence of the longitudinal structure of the static magnetic field on the efficiency of a two-cavity gyroklystron is investigated. The characteristics of a physical model of a gyroklystron for the 3-cm wavelength range are given for different longitudinal magnetic field distributions in the interaction space. The calculated and experimental data are in good agreement.Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, No. 10, pp. 1321–1334, October, 1994.     

谐波回旋速调管的效率优化

推导出了由两个无量纲量群聚系数与相位系数构成的非线性运动方程,并对其进行了数值计算分析。数值计算结果表明:通过优化设计参数,当谐波回旋速调管工作在放大区时,其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率分别可达到55%,40%,30%,15%;当其工作在振荡区时,其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率最高分别可达到93.9%, 88.2%, 81.8%, 62.7%。     

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波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性

 根据谐波回旋速调管放大器的注-波互作用特点，对Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的输出腔进行了数值模拟和优化设计，获得了输出腔末端高频波绕射输出孔径和腔体绕射Q值的对应关系。通过PIC粒子模拟，分析了该放大器的频率响应特点等输出特性。结果表明，在35 GHz频率，磁场0.685 T，电子注电压70 kV，电流15 A，横纵速度比为1.45，输入功率1.6 kW时，放大器可以获得超过220 kW的峰值输出功率、约22%的效率和23 dB的增益，3 dB带宽可达到110 MHz。     

8 mm二次谐波回旋速调管非线性分析

 对8 mm二次谐波回旋速调管中的注-波互作用，进行了PIC模拟计算，得到了高频结构尺寸、电子注参数、聚焦磁场等参数对输出功率、效率和增益的影响规律。在磁场系数0.511 8，电子注电压70 kV，电子注电流约16 A，输入功率约80 W时，得到约430 kW的输出功率，电子转化效率38%，超过37 dB的增益，3 dB带宽超过210 MHz。