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。     

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。     

TE11模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

 在阴阳极严格同轴的条件下，理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE₁₁模式与TM₀₁模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示，即使在圆对称结构下，输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此，同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM₀₁模式之间的谐振作用，从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用，因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明，采用阴阳极非均匀对称结构的TE₁₁模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率，在优化参数条件下获得功率转换效率约7％，输出功率大于1.0 GW的实验结果，该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。     

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。     

紧凑型圆极化模式转换器

 提出了一种结构紧凑的、能将圆波导TM01模或同轴波导TEM模转换为圆极化TE₁₁模的高功率微波模式转换器。该转换器由前后2个十字转门波导结对接组成,前者首先把圆波导TM₀₁模转变为4个矩形波导中的TE₁₀模,4个矩形波导的长度不等;后者再把4个经过不同相位延迟的矩形波导TE₁₀模转变为圆波导中的圆极化TE₁₁模。对所设计的1.75 GHz模式转换器进行了仿真研究,在中心频率上,该模式转换器转换效率为99%,轴比为0.03 dB;在1.575~1.900 GHz的频率范围内,转换效率大于90%,轴比小于2.5 dB,对应带宽为18.6%。     

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。     

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。     

TM01模虚阴极振荡器实验研究

 在SPARK-04强流相对论电子束加速器上，对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了实验研究，并采用远场测量方法对其激励的高功率微波辐射进行了测量，测得了微波辐射主模及辐射功率。结果表明：微波辐射主模为TM₀₁模，辐射功率大于500 MW，微波转换效率大于3%，辐射频率约3.6 GHz，微波脉宽大于20 ns。同时，采用单反射面Vlasov天线，实现了该器件所激励高功率微波的定向传输。     

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。     

X波段高功率微波TE11模圆极化器

 基于圆波导TE₁₁模的模式简并特性和微波在椭圆波导中传输两个正交TE11模式相速不同的性质,研制了一种带有椭圆波导结构的圆波导TE₁₁模圆极化器。该圆极化器通过圆波导到椭圆波导的过渡段,将输入的线极化TE₁₁模式分成两个等幅、正交的TE₁₁模,然后调整椭圆波导长度,使得两个正交的TE₁₁模式的相位差为90°,实现了TE₁₁模式微波线极化到圆极化的转换。利用时域有限差分软件优化设计了该圆极化器,并按照优化的结构尺寸加工了一套实验装置进行了实验测试,测试结果表明：在工作频率9～10 GHz范围内,该圆极化器轴比小于1 dB,驻波比小于1.1,且功率容量大于1.6 GW。     

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。     

同轴波导虚阴极振荡器二极管参数优化的研究

采用粒子模拟研究了同轴波导虚阴极振荡器二极管参数对微波效率和频率的影响,得到了由二极管参数改变引起的二极管阻抗变化及其对微波效率的影响规律. 借鉴具有慢波结构的高功率微波器件中微波模式特性阻抗的计算方法,给出同轴波导虚阴极振荡器中微波主模式特性阻抗的理论计算公式. 将理论计算结果与由粒子模拟对器件进行优化后得到的二极管阻抗进行比较,发现当反映电子束特性的二极管阻抗与微波主模式特性阻抗匹配时,虚阴极振荡器具有较高的束波功率转换效率. 进一步用特性阻抗对其他几种典型结构的虚阴极振荡器进行分析,验证了该方法的合理性,为设计高效率虚阴极振荡器提供了理论指导. 关键词： 虚阴极振荡器 同轴波导 二极管参数 特性阻抗     

Buchsbaum-Hasegawa Resonances in Cylindrical Geometry

The relative strength and linewidth are calculated for electrostatic mode absorption resonances in (A) a circular microwave cavity containing an axial, axially magnetized plasma column and oscillating in the TE011 mode and (B) a waveguide through the narrow faces of which an axially magnetized plasma column is inserted; in both bases the excitation frequency is taken to be just below the second electron cyclotron harmonic. This is done by solving Maxwell's equations in a warm, inhomogeneous, magnetized plasma in cylindrical coordinates to produce an eigenfrequency equation for the cavity and a transmission coefficient for the waveguide. Collisional and end effects are included. An experimental check of the validity of the cavity eigensolutions was carried out.     

圆波导TM_(01)-矩形波导TE_(10)模式转换器

设计了一种高功率圆波导TM01-矩形波导TE10模式转换器,可以实现圆波导TM01模式与矩形波导TE10模式之间的相互转换。仿真结果表明:中心频率为9.7GHz时该模式转换器转换效率大于99.99%,回波损耗小于-40dB,转换效率大于90%时的带宽大于0.4GHz。调节底面短路圆波导长度可以实现模式转换器在9.2~10.1GHz范围内调谐(模式转换效率大于99%)。在圆波导和耦合段连接处引入倒角可有效降低场强,提高功率容量,注入功率0.7GW,其表面场强小于1 MV/cm。     

全腔输出相对论磁控管输出模式转换结构的理论设计和数值模拟

采用全腔输出结构后,相对论磁控管径向尺寸显著减小,轴向长度也有较大幅度的缩短.但是,由于输出结构为三个相对独立的扇形波导,实际应用时,一般需要对微波输出模式进行转换.针对全腔输出相对论磁控管,本文研究了两种输出模式转换结构并利用三维全电磁粒子模拟程序对其进行了研究.首先研究了将三个扇形波导角向增宽从而渐变或者突变为一个同轴波导的情况,研究结果表明,两种情况下输出微波功率均大于采用传统三个独立扇形波导输出时的90%,输出模式主要是TEM模.其次研究了输出区由三个扇形输出波导分别变换为三个截面大小与之接近的矩形输出波导的可行性,研究结果表明,注入扇形波导中的TE₁₁模式几乎全部转换为矩形波导中的TE₁₀模式.实际应用时,可根据需要选择上述输出模式转换结构.     

Numerical Method of Determining the Cutoff Frequency and Mode Speckle Pattern of Optical Waveguides

Based on a numerical solution of the nonstationary wave equation, an algorithm for determining the eigenfunctions and eigenvalues of the LP_im modes of axially symmetric optical waveguides is suggested. The cutoff frequency of the LP₁₁ mode of different waveguides is determined using the algorithm constructed. The results obtained are compared with the well-known analytical formulas and results of numerical calculations for the equivalent step-index waveguide model. Based on the analytical results obtained, an eigenfunction and eigenvalue search algorithm is suggested for a waveguide with a two-dimensional refractive index profile (in particular, for an axially nonsymmetric waveguide).__________Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 1, pp. 11–16, January, 2005.     

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%。     

The development of nonradiative dielectric waveguide transmitting front-end in Ka-band

The operating theory,design method and experimental results of the nonradiative dielectric waveguide (NRD-guide) transmitting front-end in millimeter wave band are related in details in this paper. As a kind of dielectric waveguide,the NRD-guide possesses fine transmission performances, and it can be used to fabricate the millimeter wave hyterodyne integrated circuits. The two kinds NRD-guide transmitting front-ends substantiated in the paper, the voltage controlling oscillator(VCO) and twin-Gunn-diode power-combiner,have very similar structures to each other and possess compact sizes, fine machinery and electric performances.For the VCO front-end in Ka-band, the frequency modulation band is greater than 150MHz, the output power is larger than 20mW.For the power-combiner, the output power is larger than 40mW,the combination efficiency is better than 90%,the frequency stabilization reaches 1.68×10^–5. Combined with the receiving front-end reported before,the transmitter and receiver can be composed to a dielectric waveguide R/T module to be applied in some millimeter wave sub-systems.     

扇形波导谐振宽边纵缝的归一化电导

扇形波导可作为高功率微波圆柱共形波导缝隙阵天线的基本单元。分析了扇形波导中主模场分量,根据实际情况对主模场进行了合理近似。采用互易定理推导由波导主模横向场分量和缝隙场分量表示的波导场分量的前向或后向散射系数。根据波导传输线理论,将波导宽边纵缝等效为并联导纳,再根据波导边界条件得到扇形波导宽边谐振纵缝的归一化电导与波导散射系数之间的关系式。根据缝隙天线与振子天线的互补关系得到扇形波导谐振缝隙的辐射阻抗,结合波导功率平衡关系得到由波导横向场散射系数表示的缝隙辐射功率表达式,得到归一化电导的与谐振宽边纵缝的偏移位置、缝隙宽度、波导波长以及扇形波导尺寸参数之间的解析表达式。给出了算例,在波导中间区域,通过商用软件计算得到的电导与理论公式结果基本吻合。     

用于磁控管轴向辐射TE_(11)模式的紧凑型输出结构北大核心CSCD

提出了一种用于轴向输出相对论磁控管中具有TE_(11)辐射模式的紧凑型输出结构。该器件采用6谐振腔结构并工作在π模式上,通过合理设计谐振腔结构与输出圆波导之间过渡结构,模拟实现了圆TE_(11)模式微波的轴向输出。与传统衍射输出相对论磁控管相比,本文设计的轴向输出结构,不仅能在输出波导中获得更加纯净的微波模式,而且能减小磁控管的径向尺寸,使得系统更加紧凑化。初步的粒子模拟结果表明:当电压为280kV、磁场强度为0.5T时,该器件的工作频率为4.18GHz,输出功率为247.0 MW,功率转换效率达到21.9%。