一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

等离子体填充金属光子晶体Cherenkov辐射源模拟研究

等离子体填充能够明显提高真空电子器件的效率和功率, 研究等离子体填充器件具有重要的科学价值. 本文基于对等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性的分析, 利用粒子模拟方法展示了等离子体填充慢波结构中的注波互作用过程. 重点研究了慢波结构中场分布特性、等离子体密度和外部工作条件对频率及输出功率的影响. 研究发现, 填充一定密度等离子体后, 慢波结构内纵向和横向电场强度明显增大, 注波互作用增强, 输出频率受等离子体影响不大. 金属光子晶体结构具有的频率选择特性使器件工作于TM₀₁模态. 阴极电压增加使输出功率增大, 频率略有增加. 引导磁场增加使输出功率先增大后减小, 而频率基本不受影响. 等离子体填充后器件的输出功率上升, 当增加压强至100 mTorr(1 mTorr=0.133 Pa) 时, 输出功率提高约20%, 但只有适当密度下才有较好的角向场分布. 通过理论与模拟相结合, 发现填充一定密度的等离子体能够提高器件输出功率和效率, 为发展新型高功率毫米波振荡辐射源奠定了理论和仿真基础.     

带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器

提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM₀₂转化为TM₀₁,最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。     

偏心电子注激励周期加载波导角向非对称模衍射辐射

周期加载波导中匀速带电粒子的衍射辐射是产生较高频段可调谐太赫兹电磁辐射（频率高于1 THz）的有效方法.对圆柱形周期加载波导中偏心电子注产生的衍射辐射现象,进行了严格的理论分析和粒子模拟验证.研究表明,偏心电子注在波导中除了激励起角向对称模（TM₀波）以外,还将激励起角向模式为1（HE₁波）和2（HE₂波）的角向非对称模.并且电子注偏离轴线距离越大,激励的角向非对称模场强越强.每个模式的功率随电子注的激励位置呈变态贝塞尔函数平方关系变化,与电子注电流平方成正比.理论分析与计算机模拟的结果符合较好.研究结果将为发展该类可调谐太赫兹辐射源提供理论依据.     

基于开槽单矩形栅和圆形电子注的W波段返波振荡器

提出将开槽单矩形栅和圆形电子注作为 W波段返波振荡器的注波互作用回路. 使用 3维电磁场仿真软件CST-MWS对开槽单矩形栅的高频特性进行了仿真分析, 研究结果表明: 相对于传统单矩形栅, 新结构的基模带宽有所展宽; 基模与高次模发生模式竞争的可能性很小; 在采用圆形电子注时新结构能获得大得多的耦合阻抗; 新结构的趋肤损耗略有改善. 将该慢波结构应用于设计一支以94 GHz为频带中心的W 波段返波振荡器: 设计了简洁的慢波过渡部分、输出耦合器和终端匹配衰减器, 优化参数后获得了良好的信号传输特性; 利用粒子模拟软件CST-PS对返波振荡器模型进行了三维大信号注波互作用计算, 设定合适的电子注电流等参数后, 调整工作电压在较宽的频带内获得了瓦级的功率输出, 电子效率在整个频带范围内优于1%. 关键词： 开槽单矩形栅 圆形电子注 返波振荡器 W波段     

等离子体填充盘荷波导高频特性分析

从麦克斯韦方程和流体理论出发，推导了填充磁化等离子体慢波结构的基本方程.在大磁场情况下，对等离子体填充盘荷波导的色散特性和耦合阻抗作了研究，结果表明填充等离子体使色散曲线上移，耦合阻抗提高.等离子体填充产生出模式谱非常丰富的周期性低频等离子体模式(TG模式).当等离子体密度增加到一定程度后，场模TM₀₁模的频率范围和TG₀₁模的频率范围相近，两个模式互相耦合产生出新的混合模G₁,G₂.如果相对论行波管工作在混合模上，将会产生新的工作机理. 关键词： 盘荷波导 等离子体填充 色散特性 相对论行波管     

220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的研究

提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构.利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态.通过非线性理论,研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争,得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征,其结果与粒子模拟基本一致.研究表明,利用光子带隙谐振腔的禁带特征,回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.     

Ka波段曲折双脊波导行波管的研究

提出了一种曲折双脊波导慢波结构,理论分析了慢波结构的高频特性,并在此基础上设计了工作在Ka波段的曲折双脊波导行波管.利用三维粒子模拟软件MAGIC 3D建立了曲折双脊波导行波管模型,并对行波管中的注-波互作用进行了模拟分析.在相同工作条件下,分析比较了曲折双脊波导行波管和曲折波导行波管的各种性能参量,从中发现：在行波管增益峰值相近的情况下,曲折双脊波导行波管具有更好的带宽性能,其3 dB增益带宽为22％;同时具有更高的电子效率,其峰值接近9％. 关键词： 曲折双脊波导 高频特性 注-波互作用 带宽     

0.14THz过模表面波振荡器的模式分析

采用理论分析和实验验证相结合的方法, 研究了0.14 THz过模表面波振荡器(过模比D/λ≈3)中太赫兹波模式成分的分布. 首先针对具有圆周对称结构的过模切连科夫器件, 建立了用于模式分析的纵向场分解法. 接着基于2.5维PIC(Particle-in-cell)软件的电场模拟结果, 采用该方法对0.14 THz表面波振荡器的模式进行了详尽的理论分析. 结果表明, 器件中不同结构区域的太赫兹波模式成分不同, 相互间存在模式转换, 输出模式以TM₀₂和TM₀₃模为主, 并伴有少量TM₀₄模. 最后利用图像显示法获取了0.14 THz表面波振荡器的近场辐射能量分布, 与由模式分析结果得到的理论分布符合的较好, 证明了纵向场分解法用于模式分析的可行性和结果的正确性. 关键词： 过模 表面波振荡器 模式分析 场分解法     

基于双排矩形梳状慢波结构的W波段宽频带行波管模拟研究

提出采用圆形电子注和双排矩形梳状慢波结构作为W波段宽频带行波管注波互作用回路. 对该慢波回路的"冷"态特性、输入输出结构等方面进行了模拟仿真和分析, 研究结果表明, 该结构色散特性较好, 带宽较宽; 通过调整双排矩形梳状慢波结构之间的距离和电子注通道半径的尺寸, 圆形电子注系统取得了和带状注系统相同的耦合阻抗; 且该结构传输特性较好, 优化后整管的驻波比能在较宽的频带内保持在2以下. 此外, 对该慢波系统的大信号理论计算和PIC粒子模拟结果一致. 在50 mW驱动功率下, 输出功率在10 GHz带宽内大于40 W, 增益高于29 dB.     

Dispersion characteristics of a slow wave structure with a modified photonic band gap

This paper studies the dispersion characteristics of a modified photonic band-gap slow-wave structure with an open boundary by simulation and experiment.A mode launcher with a wheel radiator and a coupling probe is presented to excite a pure TM 01-like mode.The cold test and simulation results show that the TM 01-like mode is effectively excited and no parasitic modes appear.The dispersion characteristics obtained from the cold test are in good agreement with the calculated results.     

Mode theory of three-layer cylindrical waveguides and its application to aurum(Au)/polystyrene(PS)-coated terahertz hollow waveguides

In this paper, we present a generic mode theory for the three-layer cylindrical waveguides consisting of three arbitrary material mediums. Based on derived eigenvalue equations of the TE, TM, and hybrid modes, the mode conditions of metal/dielectric-coated terahertz hollow waveguides are extracted. In addition, we quantitatively describe both the effective refractive indexes and the loss characteristics of the aurum/polystyrene-coated terahertz hollow waveguides operating at the TE₀₁, TM₀₁, and HE₁₁ modes. It is indicated that the loss coefficient of the TE₀₁ mode can be much lower than that of the TM₀₁, and HE₁₁ modes, and, especially, can tend to that of the terahertz wave in air. So the TE₀₁ mode is very significant for the hollow waveguides in term of low loss propagating of the terahertz wave. We expect these results to enable a variety of new long-distance THz applications in sensing, detecting and communicating.     

Study of Disk-Loaded Waveguide Filled with Plasma

Recently disk-loaded waveguide has been widely used in high-power traveling wave tubes (HPTWT). It has been shown in many experiments that the interaction efficiency and output power can be increased greatly by injecting plasma into the vacuum microwave device. Using field analysis, the dispersion characteristics and the interaction impedance of the disk-loaded waveguide filled with plasma are analyzed in a strong longitudinal magnetic field. In conclusion, the frequency of the TM₀₁ mode increases as the density of the plasma increases. It also can be found when the plasma density increases to a large scale, the TM₀₁ mode of the disk-loaded waveguide overlaps the TG mode, these two modes couple each other and form the new hybrid modes.     

X波段过模弯曲圆波导TM01-HE11模式变换器研究

在波束波导和反射面天线的馈源应用中, 为了产生低副瓣且方向图等化的高斯波束, 需要将高功率微波转换为准高斯模HE₁₁模辐射. 本文利用弯曲圆波导可同时从TM₀₁模产生TE₁₁模和TM₁₁模的原理, 提出了采用双弯曲过模圆波导结构直接将TM₀₁转换为HE₁₁的模式变换器, 避免了常规微波领域中首先将TM₀₁转换为TE₁₁再用波纹式或半径渐变式TE₁₁-HE₁₁转换器转换为准高斯波束功率容量不足或尺寸过长的不足. 基于模式耦合理论和Taguchi优化算法对模式变换器的弯曲半径、相移直端长度及引入位置进行了优化, 使输出的TE₁₁和TM₁₁成一定比率, 以组成HE₁₁模式, 并对设计的模式变换器进行了全电磁波仿真分析, 结果表明输出波束的标量高斯含量在9.05–9.8 GHz范围内均高于99%, 理论功率容量可达4.5 GW. 关键词： 高功率微波 模式耦合理论 Taguchi优化算法 模式变换器     

Broadband mode converter and multiplexer based on dielectric-loaded plasmonic waveguides

We theoretically demonstrate a broadband mode converter and multiplexer based on plasmonic waveguides loaded with structured dielectrics. The proposed device can realize conversions between a fundamental TM₀ mode and a first order TM₁ mode, as well as (de)multiplex them with another TM₀ mode. Our design exhibits as wide as 400 nm bandwidth and as short as 6~7 μm coupling length. This work has potential application in high density photonic integrated devices for both computing and communication applications.     

非截面二维光子晶体排列矩形波导的全模式分析

在对周期性结构进行谐波分析的基础上，导出了非截面二维光子晶体排列矩形波导的本征值方程. 基于此方程，可以对该类光子晶体波导的所有可能模式进行分析. 分析认为，非截面二维光子晶体排列矩形波导内能存在的模式包括E_(y)，TE_y，H_(y)和TM_y模式；改变波导高度，可以实现E_(y)模式和H_(y)模式与其他模式通带的完全分离. 然而改变任一结构参数，都不能使E_(y)和H_(y)的各个模式通带，以及E_(y)1模式和H_(y)1模式的通带完全隔离. 波导单模工作的带宽由E_(y)1和E_(y)2模式的低端截止频率决定. 关键词： 波导 光子晶体 本征值方程 模式     

单模低损耗光子晶体光纤的设计及特性分析

设计了几种特殊结构的带隙光子晶体光纤,采用平面波展开法和频域有限差分方法研究了基于不同结构光子晶体光纤的带、模式、色散和色散斜率。由平面波展开法和频域有限差分方法求解麦克斯韦方程组导出本征值方程,可以得到带隙光子晶体光纤中可能存在的不同模式的传播常数、电场分布、本征频率和磁场分布。分别给出了第二圈填充率取三种不同值时带、模式、色散和色散斜率的变化。结果表明,当第二圈填充率改变时其特性有明显的变化。随着填充率从0．75减小到0．45,其二阶模分裂成两个类LP01模,可降低损耗。计算结果对单模和低损耗的光子晶体光纤的设计有参考价值。     

Development of a 2 MW relativistic backward wave oscillator

In this paper, a high power relativistic backward wave oscillator (BWO) experiment is reported. A 230 keV, 2 kA, 150 ns relativistic electron beam is generated using a Marx generator. The beam is then injected into a hollow rippled wall metallic cylindrical tube that forms a slow wave structure. The beam is guided using an axial pulsed magnetic field having a peak value 1 T and duration 1 ms. The field is generated by the discharge of a capacitor bank into a solenoidal coil. A synchronization circuit ensures the generation of the electron beam at the instant when the axial magnetic field attains its peak value. The beam interacts with the SWS modes and generates microwaves due to Cherenkov interaction. Estimated power of 2 MW in TM₀₁ mode is observed.      

Nonlinear electromagnetic propagation in plasma filled cylindrical waveguides

Using an appropriate expression for the field-dependent dielectric constant of a collisionless plasma, we have studied the field distribution of the TM₀₁ mode in a cylindrical waveguide. The wave equation has been solved by a Runge Kutta technique. It is seen that on account of redistribution of carriers from the high-field regions to low-field regions a beam of frequency lower than the average plasma frequency can be transmitted if its power is high. Work supported by NSF     

Prediction of TE-, TM-, and hybridmode transmission losses in gaps of oversized waveguides using a scattering matrix code

The transmission losses of different modes in gaps in oversized waveguides are calculated using a modified scattering matrix formalism. Measurements performed for the modes TE₀₁, TE₁₁, TM₀₁, TM₁₁ and HE₁₁ are in good agreement with the calculated numerical results. Both numerical and measured values are compared with existing analytical formulas.