140GHz大功率交错双栅行波管的设计和模拟研究

采用交错双栅结构,结合带状电子注,研究了一种工作在140 GHz频段的大功率行波管. 本振模数值计算表明该结构具有良好的色散特性和耦合阻抗.针对所采用的慢波结构, 提出了慢波过渡结构、输入输出耦合器和集中衰减器,保证了行波管的良好工作. 利用三维大信号模拟计算的方法得到的结果显示,当电子注直流功率为5.115 kW,输入信号功率为0.1 W时, 所研究的行波管能在132-152 GHz范围内提供大于300 W的峰值功率,其中在138 GHz时得到最大功率546 W, 对应增益为37.37 dB.当在0.027-0.46 W内调节输入信号功率,可以保持该行波管在128-152 GHz 频带内得到大于440 W的峰值功率,对应的电子效率大于8.6%. 结果显示该行波管将在大功率短毫米波领域具有重要意义和潜在应用价值.     

An open-styled dielectric-lined azimuthally periodic circular waveguide for a millimeter wave traveling-wave tube

An open-styled dielectric-lined azimuthally periodic circular waveguide (ODLAP-CW) for a millimeter-wave traveling-wave tube (TWT) is proposed, which is a modified form of a dielectric-lined azimuthally periodic circular waveguide (DLAP-CW). The slow-wave characteristics of the open-styled DLAP-CW are studied by using the spatial harmonics method, which includes normalized phase velocity and interaction impedance. The complicated dispersion equations are numerically solved with MATLAB and the results are in good agreement with the simulation results obtained from HFSS. The influence of structural parameters on the RF properties is investigated based on our theory. The numerical results show that the optimal thickness of the metal rod can increase the interaction impedance, with the dielectric constant held fixed. Finally, the slow-wave characteristics and transmission properties of an open-styled structure are compared with those of the DLAP-CW. The results validate that the mode competition is eliminated in the improved structure with only a slight influence on the dispersion characteristics, which may significantly improve the stability of an open-styled DLAP-CW-based TWT, and the interaction efficiency is also improved.     

Ka波段同轴多注相对论速调管的电子束引入

首先通过理论分析确定影响多注电子束引入效率的主要因素,确定初步的结构参数;其次利用三维粒子模拟软件建立Ka波段相对论多注二极管模型进行仿真优化,使电子束引入效率达到89%;并开展了电子束的产生与传输实验研究,验证了粒子模拟仿真结果。在电子束电压502 kV、束流4.34 kA、轴向磁感应强度0.76 T的条件下,电子束引入效率达到了72%,由电子束轰击尼龙靶材获得的电子束束斑图表明,电子束在产生与传输过程中形状未发生畸变,产生的电子束直径约为2 mm。模拟和实验研究验证了设计的强流多注二极管可以产生高品质的电子束和实现高效率的电子束引入。     

W波段带状注矩形单栅返波振荡器模拟研究

提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器。首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构,预群聚腔及输出一体化结构。研究结果表明:利用电压200kV、电压2kA、截面为24mm×0.5mm的带状电子注,驱动该矩形单栅返波振荡器,能够产生42 MW的输出功率,工作频率86GHz,效率为10.5%。     

有限开敞介质光子晶体的模式及其带结构分析

针对光子晶体在行波管中的应用,对有限开敞介质光子晶体的模式和带结构进行了分析和计算. 分析表明,有限开敞介质光子晶体中所能存在的模式包括EH和HE混合模式,如果是二维光子晶体,还存在E模式,E₁模式即为无限光子晶体中的E极化. 计算表明,被用作行波管慢波电路的光子晶体可以不必拥有完全带隙,而只需要具有带间隙即可. 关键词： 光子晶体 本征值方程 行波管 带结构     

变周期慢波系统内同步问题的研究

由于行波管的工作依赖于其慢波系统中的电子注与沿轴传输交变电磁场之间的相互作用而完成,而这样的相互作用要求沿轴传输的交变电磁场必须与电子注有着近乎同步的速度,所以慢波系统内的同步问题就成了研究行波管的一个很重要的问题.而变周期慢波系统是将一般慢波系统的周期进行变化而形成的,它可以比原周期慢波系统有着更宽的带宽,更高的互作用效率,还可以选择空间谐波.本文分析了变周期慢波系统内的空间谐波,提出了使慢波系统内的一次空间谐波一直与电子注同步所需要满足的原则,最后以变周期折叠波导为例,证明了这个原则. 关键词： 变周期 慢波系统 空间谐波 同步     

椭圆手征波导的传输特性

首先给出了填充手征媒质的一般柱结构中耦合波方程的解耦过程,然后根据完备本征函数展开对椭圆手征波导中的混合模式进行了详细分析,给出具体的场表达式及色散关系.指出在与椭圆结构相关的耦合问题中,不仅存在TE与TM模式之间的耦合,还存在偶型模与奇型模式的耦合.通过数值计算对椭圆离心率以及手征导纳对色散特性的影响进行了讨论. 关键词： 椭圆手征波导 马丢函数 模式分裂     

有效抑制光子晶体加载矩形谐振腔中模式竞争的方法

研究了光子晶体加载矩形谐振腔,针对传统光子晶体加载无法完全抑制模式竞争的问题,提出了特性阻抗和介质加载方法进行改进,完全实现了谐振腔的高次模式的单模工作,为抑制高次模式工作的谐振腔中模式竞争的问题提供了一种新方法.在此基础之上,采用解析方法以及高频仿真软件HFSS,设计了一个采用TM₅₃₀高次模式工作的传统光子晶体加载的谐振腔,进一步采用了该新方法对其进行改进,并深入分析了采用这种方法抑制模式竞争的物理原因.计算结果表明,新方法能有效抑制模式竞争,实现谐振腔的高次工作模式的单模工作. 关键词： 光子晶体 谐振腔 模式竞争 特性阻抗     

毫米波行波管电子光学系统的设计

 利用基于虚边界元法的VBGUN程序和基于边界元法的MOM程序，对一折叠波导毫米波行波管的电子光学系统进行了设计。设计过程中使用计算相关性系数的方法调节参数，通过计算敏感性系数以考察加工误差带来的影响。设计过程显示：低导流系数、小束腰、高压缩比的毫米波电子枪的层流性与电极尺寸相关性很大，易受到加工误差的影响；聚束系统的设计难点在于轴上峰值磁感应强度要受到漂移管半径的限制，这一点可以通过提高工作电压和降低电流来平衡，因此它的设计必须与慢波结构的设计同时进行。     

相对论磁化运动等离子体的介电张量

 定义了相对论磁化运动等离子体(MMP)的物理模型。利用微扰理论导出了系统的介电张量，研究发现，MMP具有完全不同于静态磁化等离子体介电张量的形式。对电磁波沿轴向传播的情况进行了数值模拟计算，结果表明，系统的共振频率随等离子体密度的增加而非线性增加，在相同的条件下，右旋波的共振频率高于左旋波的共振频率。对于传播的右旋电磁波，增加纵向磁场，共振频率提高，而对于左旋电磁波，增加纵向磁场，共振频率降低。