W波段回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是高功率毫米波雷达发射系统最重要的候选者.通过对回旋行波管放大器中的绝对不稳定性、回旋返波振荡以及电子注-波互作用的研究，讨论了回旋行波管的稳定性、寄生模式的抑制和工作参数的优化等问题，给出了W波段TE₀₁模回旋行波管放大器的模拟设计结果.PIC粒子模拟结果表明，在电子注电压100kV、电流10A、工作磁场3.52T时，94GHz的基波回旋行波管放大器可获得大于250kW的输出功率、40dB的增益、大于25％的效率和约5％的带宽. 关键词： W波段 回旋行波管放大器 模拟 设计     

基于损耗介质加载波导的回旋行波管放大器的互作用分析

损耗介质波导对提高回旋行波管放大器的稳定性等性能具有积极的作用.本文基于损耗介质波导中工作模式的场表达式,推导出电子回旋脉塞互作用线性理论.通过系统的数值计算发现损耗介质波导与光滑金属圆波导中的工作模式从场型分布和色散关系上都具有一一对应关系;通过Laplace变换,利用互作用线性理论计算工作模式的起振场型和阈值,并研究互作用系统磁场、电流和介质层对放大特性的影响.这些研究成果对促进损耗介质在回旋行波管放大器中的运用和高稳定性回旋行波管放大器的发展具有积极的作用.     

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。     

回旋行波放大器输出端反射对注-波互作用的影响

基于回旋行波放大器的非线性自洽理论,研究渐变输出端反射对回旋行波放大器注-波互作用的影响.数值模拟结果表明,对于Ka波段TE₀₁模基波工作回旋行波放大器,渐变输出端渐变角的变化以及互作用长度的改变将导致不同的反射系数幅度和相位,从而影响注-波互作用过程,改变功率演化过程.在输出饱和功率不变的情况下,合理选择输出渐变角,可能可以减小注-波互作用长度,展宽互作用频带. 关键词： 回旋行波放大器 注-波互作用 反射系数     

双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

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     

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     

行波管中二次谐波注入对三阶互调的抑制

 利用Christine 1维多信号非线性互作用物理模型,对螺旋线行波管中注入二次谐波后三阶互调的输出进行了模拟。模拟结果表明：在螺旋线大功率行波管中,通过二次谐波注入能有效地抑制三阶互调输出,从而降低了行波管的非线性输出,并存在最佳的注入功率和相位条件,使三阶互调可被抑制到最低。介绍了二次谐波注入抑制三阶互调的实验研究,并与模拟结果进行了比较,两者基本一致。     

8mm基波回旋行波管放大器的设计

对8 mm基波回旋行波管放大器进行了研究。通过稳定性分析,选定了放大器的工作参数。利用PIC粒子模拟程序对放大器中的电子注-波互作用过程进行了详细的分析和讨论,获得了回旋行波管稳定工作的物理图像,完成了8 mm基波回旋行波管放大器高频系统的初步设计。模拟结果表明,在优化设计条件下,放大器可以获得大于450 kW的输出功率5、0 dB增益、22.5%的效率和大约5%的3 dB带宽。     

大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究

针对G波段真空电子器件对大功率、宽频带信号源的需求,开展了G波段三次谐波放大器研究。该放大器利用E波段行波管非线性互作用中的三次谐波电流,通过级联谐波互作用段实现G波段电磁波放大。高性能、实用化G波段宽频带大功率源的设计方案采用非半圆弯曲波导边界折叠波导,利用微波管模拟器套装（MTSS）软件对G波段三次谐波放大器进行模拟优化,结果显示,器件在15 GHz范围内可实现谐波输出功率＞3.6 W,转换增益＞33.3 dB,电子效率＞0.36%。与其他工作在该频段的小型化太赫兹辐射源相比,谐波放大器在输出功率和带宽方面性能优越,为后续开展G波段三次谐波放大器的实际研制工作提供了设计基础。     

具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器绝对不稳定性

 详细推导了具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器的色散特性。通过绝对不稳定性振荡出现的条件,给出求解具有损耗波导结构回旋行波管放大器的绝对不稳定性起振电流的数值计算方法。研究结果表明：绝对不稳定性起振电流与损耗波导的集肤深度有关,选择有较大的集肤深度的损耗波导可以提高绝对不稳定性起振电流;绝对不稳定性起振电流同时也与工作磁场偏离饱和磁场的程度以及电子束的纵横速度比有关;通过设计具有分布损耗波导结构的注-波互作用电路,以及工作磁场、电子束的纵横速度比,可以在兼顾带宽、效率的条件下,保证回旋行波管放大器稳定工作。     

基于多目标遗传算法的回旋行波放大器分布式损耗参数优化

通过使用多目标遗传算法对回旋行波放大器加载分布式损耗的电阻率和厚度参数进行优化,得出了两个参数的最佳组合值:损耗层厚度0.116mm,电阻率为铜的77 882倍,此时放大器达到最大增益15.9dB。并且通过单目标遗传算法对该值的准确性进行了验证,使得放大器在有效抑制回旋返波振荡的同时实现了增益的最大化。     

Operation of a stable 200-kW second-harmonic gyro-TWT amplifier

The experimental results are reported for a stable second-harmonic gyrotron traveling wave amplifier, which generated a record-breaking 207-kW output power based on the principle that the weaker harmonic interactions are more stable to spontaneous oscillations than at the fundamental, and therefore, capable of generating higher output power. The high-power amplifier was kept completely (zero-drive) stable by employing a mode-selective interaction circuit and web-matched directional input and output couplers, and choosing an amplifier interaction length shorter than the start-oscillation length for gyrotron backward-wave oscillations. The single-stage Ku-band amplifier utilized an 80-kV 20-A υ_⊥/υ_∥=1.1 electron beam from a magnetron injection gun and yielded an efficiency of 12.9%, an output phase variation of 10°/kV, a saturated bandwidth of 2.1%, a large-signal gain of 16 dB, and a detuned small-signal gain of 38 dB     

分布损耗对回旋行波放大器稳定性的影响

基于电磁模式的色散方程和回旋管非线性理论,研究了损耗层厚度对回旋行波放大器注-波互作用的影响.结果表明,合理选择损耗层电导率和厚度能够让期待的工作模式TE₀₁衰减较小,而对应的竞争模式TE₂₁因损耗很大而更难以起振,随厚度的增加,放大带宽从两边向中间收缩变窄,频带中间部分的输出功率会上升,曲线更加平坦,从而达到改善互作用稳定性的目的. 关键词： 回旋行波放大器 起振长度 起振频率 饱和功率     

LARGE-SIGNAL SIMULATIONS OF A GYROTRON TRAVELING-WAVE AMPLIFIER WITH A MODE-SELECTIVE INTERACTION CIRCUIT

A self-consistent nonlinear theory is used to analyze the saturated performances of a Ka-band gyrotron traveling wave amplifier (gyro-TWA) operating at the fundamental with a mode-selective interaction circuit involving a tapered vane-slot mode converter. The amplifier is predicted to generate 140 kW saturated output power with 33.3% efficiency, a saturated gain of 33dB, and a 3dB bandwidth of 2.7 GHz (8%) for a 70 kV, 6A electron beam with a velocity ratio of 1.0 and an axial velocity spread of 5%.     

High-power harmonic gyro-TWT's. I. Linear theory and oscillationstudy

A linear theory using Laplace transforms which is applicable to both gyrotron traveling wave amplifiers (gyro-TWTs) and gyrotron backward-wave oscillators (gyro-BWOs) is presented. The validity of the linear theory is verified by comparing it with an existing nonlinear self-consistent theory based on a different approach. In conjunction with a time-dependent multimode particle simulation code, the linear theory is applied to study the stability of harmonic gyro-TWTs. It is shown that a harmonic gyro-TWT can be made stable to all forms of spontaneous oscillations by employing a multistage interaction structure and that it can generate power levels far in excess of those possible for a fundamental gyro-TWT. The linear bandwidth of a second-harmonic gyro-TWT amplifier is also calculated     

Influence of Reflections of the Output Port on Beam-wave Interaction in Gyrotron Traveling Wave Amplifier

Based on the nonlinear self-consistent theory of gyrotron traveling wave amplifier (gyro-TWA), the influence of the reflections of the output port with the taper on the beam-wave interaction in the gyro-TWA is studied. The simulation results show that the reflections have great effects on the TE₀₁ mode gyro-TWA operating at the fundamental. The influence of the taper angle and the interaction length on the beam-wave interaction and the power profile is discussed and the corresponding physical mechanism is analyzed. The saturated output power keeps same approximately with the increase of the taper angle in the presence of reflection while the saturated gain decreases obviously.     

光子带隙谐振腔回旋管振荡器的自洽非线性理论

定义了光子带隙谐振腔(photonic-band-gap cavity, PBGC)的等效半径,论证了使用该半径将PBGC等效为具有模式选择性的金属圆柱谐振腔的有效性,揭示了其在PBGC设计过程中的指导性作用.基于等效半径的运用,建立起光子带隙谐振腔回旋管振荡器(PBG回旋管)的自洽非线性理论,并对工作于TE₃₂模的PBG回旋管作了理论分析和数值计算.目前的研究表明:高频电磁场沿角向呈行波或驻波的不同极化形式对PBG回旋管的注-波互作用过程具有较大的影响;较之电子回旋基波,该器件中二 关键词： 光子带隙谐振腔 等效半径 回旋管 自洽非线性理论     

W-Band Second-Harmonic Gyrotron Traveling Wave Amplifier with Distributed-Loss and Severed Structures

The second harmonic TE₀₂ gyrotron traveling wave amplifier (gyro-TWT) is a high-power, broadband, millimeter-wave amplifier with a low applied magnetic field. Mode-selective interaction circuits were applied to suppressing spurious oscillations. However, the mode-selective interaction circuit may perturb the operating mode in the gyro-TWT. A multi-stage gyro-TWT design with distributed-loss and severed structures is proposed to stabilize the amplification. This study presents a nonlinear analysis of typical oscillations, including absolute instability, gyrotron backward oscillation (gyro-BWO) and reflective oscillation. The lossy and severed sections of the multi-stage gyro-TWT seem to increase effectively the start-oscillation currents of the absolute instability, gyro-BWO, and reflection oscillation. The multi-stage gyro-TWT is predicted to yield a peak output power of 215 kW at 89.9 GHz with an efficiency of 14.3 %, a saturated gain of 60 dB and a bandwidth of 1.7 GHz for a 100 kV, 15 A electron beam with an axial velocity spread _z/ _z = 5%.