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。     

0.4 THz回旋行波管的设计与模拟

利用三维粒子模拟仿真软件,对共焦波导结构的0.4 THz回旋行波管进行了注波互作用的模拟研究。以共焦波导的冷腔色散以及衍射损耗入手,最终选定HE06模作为互作用工作模式。为了对寄生振荡进行抑制,在互作用结构中引入了截断。在模拟过程中,通过调节束压、束流、工作磁场、电子束横纵速度比,得到了最优的工作参数。最终,在束压34 kV、磁场14.25、束流2 A、横纵速度比0.75的工作参数下,当输入信号为1 W时,得到了最高2.76 kW的功率输出,增益超过34 dB,3 dB带宽为8 GHz,效率达到4%。     

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。     

Ka波段带状注相对论速调管模拟研究

利用三维电磁场与粒子模拟软件对Ka波段带状注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定了腔体的冷腔高频特性,采用三维粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:在带状电子注电压500kV、束流1kA、宽高比40∶1,注入微波功率1.94kW和均匀聚焦磁场0.8T的条件下,获得的输出微波功率达到142MW,频率40GHz,效率28.4%,增益约48.6dB。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求，设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器，建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构，降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式；设计采用多腔多间隙群聚结构，降低了输入微波功率的需求，提高了器件放大增益；并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构，提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计，粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW，器件放大增益约为60 dB，功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV，电流5.1 kA的情况下，输出功率为0.99 GW，放大增益约为53 dB，转换效率约为35%。     

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。     

G波段500 W带状注扩展互作用速调管设计研究

针对太赫兹频段实现高功率面临物理机制上的难题，设计了一个G波段带状注速调管，展示了基于非相对论带状电子注和扩展互作用技术所能达到的功率水平以及影响性能的物理因素。文中设计基于电压24.5 kV、电流0.6 A，1 mm×0.15 mm的椭圆电子注，以及与之相匹配的互作用系统，即横向过尺寸哑铃型多间隙谐振腔，可以实现高功率和高增益。三维PIC仿真结果显示，在考虑实际腔体损耗的情况下，能够获得超过500 W的功率，电子效率和增益分别达到3.65%和38.2 dB。研究发现，输出功率和效率的提升很大程度上受到多间隙腔模式稳定性以及电路欧姆损耗的制约；输出腔的欧姆损耗对输出功率影响尤为显著，工程设计需要特别考虑。本文的研究为高频段带状注扩展互作用器件的研发打下了良好的基础。     

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。     

94GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数,优化设计了一支94GHz光滑缓变结构回旋管,当电子注电压50kV,电流6A,横纵速度比1.4,工作磁场3.548 5T时,在频率94.099GHz处得到了41%互作用效率,约120kW的功率输出;与折变结构回旋管相比,缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27dB,注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。     

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     

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.     

X波段相对论大功率速调管放大器的高频结构模拟研究

采用MAGIC 2.5D模拟软件,建立了X波段11.424GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成,包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性,初步设计漂移管及各谐振腔结构参数,再结合热腔模拟,研究了输入腔的吸收匹配问题,依据各腔体对基波电流逐级调制情况,优化配合各腔体的间隙等结构参数,从而获得电子束的最佳调制状态,最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出,结果表明:在加速电压520kV、束电流460A、外加磁场0.4T的条件下,当注入信号功率为1kW时,基波电流调制深度达162%,最终输出功率105MW,效率43.5%,增益50dB。     

曙光一号自由电子激光器束调节研究

简单介绍了曙光一号自由电子激光器实验布局．着重就束调节方案进行了数值模拟和实验研究，给出了束流调试结果,并进行了分析；当进入摇摆器的束流为950A，摇摆器磁场为0.31T，在摇摆器长度为2．4m的位置,获得了50MW的饱和功率，经变参数实验后输出功率提高到140MW．     

High-gain wide-band gyrotron traveling wave amplifier with a helically corrugated waveguide

First bandwidth measurements of a novel gyrotron amplifier are presented. The coupling between the second harmonic cyclotron mode of a gyrating electron beam and the radiation field occurred in the region of near infinite phase velocity over a broad bandwidth by using a cylindrical waveguide with a helical corrugation on its internal surface. With a beam energy of 185 keV, the amplifier achieved a maximum output power of 1.1 MW, saturated gain of 37 dB, linear gain of 47 dB, saturated bandwidth of 8.4 to 10.4 GHz ( 21% relative bandwidth), and an efficiency of 29%, in good agreement with theory.     

L波段高功率多注速调管设计与模拟

 开展了峰值功率10 MW、平均功率150kW的L波段多注速调管的研究工作。采用均匀场多透镜聚焦系统对多电子注进行聚焦,获得了具有良好层流性和波动性的旁轴多注电子光学系统;采用二次谐波腔,对6个电子注、6个同轴谐振腔结构的速调管进行了注波互作用计算。结果表明,当电子注电压为115 kV,电流为132 A时,可获得大于10 MW的脉冲输出功率,大于65%的输出效率和大于45 dB的增益。     

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。