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。     

利用等效电路模型计算耦合腔行波管注-波互作用

通过研究Curnow等效电路模型,得到进行单腔计算的矩阵方程,进而获得线路场方程, 结合运动方程和空间电荷场方程,从而推导出耦合腔行波管一维注波互作用非线性理论模型. 该理论能计算任意的切断、跳变、渐变等结构以及多信号模拟.利用该理论编制的软件计算了 59 GHz-64 GHz耦合腔行波管AM-PM相位失真,三阶互调以及五阶互调分量. 同时模拟得到了59 GHz-64 GHz带内饱和输出功率分布,理论结果与热测结果误差在5%以内.     

螺旋线行波管三维返波互作用理论与数值模拟

建立了三维非线性返波互作用模型,用于精确分析大功率螺旋线行波管中返波振荡非线性过程问题,并提出了计算返波振荡功率的方法及磁场抑制手段.该理论模型包括三维线路场方程、三维运动方程以及三维空间电荷场.首先比较三维模型与原有一维模型之间的差异,发现一维空间电荷场的径向交流电流分布模型与三维模型的差异是导致振荡频率偏大及起振长度缩短的主要原因.然后计算返波饱和输出功率大小并揭示返波饱和功率和振荡频率与互作用长度的关系,并探讨了磁场对返波振荡的抑制影响.最后以某一毫米波行波管为例,实验对比了一维与三维模型计算的振荡频率与热测的差异,其中三维模型的相对误差小于4.8%.     

用于Ka波段行波管的反射式预失真线性化器

采用幂级数法分析得到了线性化器与行波管放大器相反的非线性特性,并建立了预失真放大器的幂级数模型。根据反并联二极管对电路能够产生奇次谐波的特点,利用反并联肖特基二极管对、正交混合电桥、二极管电路的匹配网络等结构,通过对各结构的分析优化,设计了用于Ka波段行波管的预失真线性化器。实验结果表明:该线性化器在29~31 GHz频段范围内能为行波管放大器的载波交调比带来最大19 dB的改善。     

螺旋线行波管三维频域非线性注波互作用的计算

基于行波管中慢电磁行波的周期传输特性和能流坡印廷定理,考虑高频结构的衰减、切断、螺距的渐变与跳变对互作用的影响,建立了螺旋线行波管三维场论非线性自洽工作方程组.通过傅里叶展式将时域中的电流变换为与频率相关的交流电流分量,采用等离子体粒子模拟的方法,求解离散化的亥姆霍兹方程获得空间电荷场的三维数值解.计算三维电子轨迹,得到精确的互作用后的电子能谱结构,为多级降压收集极的设计提供关键参数.计算结果与电子所Ku波段的测试值比较具有较好的一致性,并分析了互作用后的电子能谱结构,与多级降压收集极的实验基本符合. 关键词： 行波管 非线性注波互作用 空间电荷场 等离子体粒子模拟     

螺旋线行波管1维多频非线性理论与模拟

 采用CHRISTINE报告中的1维多信号非线性互作用模型，在其场方程、相位方程和含空间电荷场的运动方程的表达式基础上，增加了切断区域的工作方程组，并考虑了电位下沉带来的影响。基于此非线性互作用工作方程组编写了数值计算程序。为了便于对行波管互作用进行模拟设计时选择最佳工作电压和输入功率，在程序中加入了扫描电压和输入功率的功能。对某行波管注波互作用过程进行了模拟，并分析了谐波和互调的影响。由于计算速度快,模拟结果较好，对螺旋线行波管的初步设计和验证具有较强的指导意义。     

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。     

矩形螺旋线行波管注-波互作用3维模拟

 运用3D粒子模拟软件MAGIC分析了矩形螺旋线行波管(TWT)的注 波互作用过程。模型设计了电导率线性渐变的电阻耦合器代替同轴输入输出结构来减少反射,消除自激震荡。仿真结果表明： 矩形螺旋线TWT模型能够进行有效的注 波互作用,完全可以反映管内互作用的非线性本质,证明了模型设计的合理性,并对影响注 波互作用的一些重要参量进行了讨论。设计的X波段TWT可达到的指标为：工作频率8~12 GHz,输出功率峰值达480 W,3 dB带宽为4 GHz,电子效率为11.8%。     

宽带大功率螺旋线行波管返波振荡研究

在一维场论注-波互作用理论的基础上,引入磁场对角向速度的影响,建立了二维非线性返波注-波互作用理论,模拟返波振荡.对不同空间电荷参量下起振长度的变化进行了小信号分析比较,结果与等效线路模型比较接近;对某8—18GHz行波管进行了实测比较,结果也比较一致.同时还研究了影响返波振荡起振长度的因素,提出了该管的抑制返波振荡方案.     

宽带大功率螺旋线行波管返波振荡研究

在一维场论注-波互作用理论的基础上,引入磁场对角向速度的影响,建立了二维非线性返波注-波互作用理论,模拟返波振荡.对不同空间电荷参量下起振长度的变化进行了小信号分析比较,结果与等效线路模型比较接近;对某8—18 GHz行波管进行了实测比较,结果也比较一致.同时还研究了影响返波振荡起振长度的因素,提出了该管的抑制返波振荡方案.     

Suppression of third-order intermodulation in a klystron by third-order injection

The first observations and measurements are reported on suppression of the third-order intermodulation (IM3) product arising from nonlinear mixing of two drive frequencies in a klystron, by externally injecting a wave at the IM3 product frequency. Optimum amplitude and phase of the injected wave for maximum suppression are examined. Results indicate that suppression of the IM3 product by as much as 30 dB can be achieved. Experimental results compare favorably with predictions of a 1D simulation code that takes into account all kinematical and dynamical effects including charge overtaking and space charge forces.     

Experimental investigation of a 140 GHz gyrotron-backward wave oscillator

We report the experimental operation of a voltage tunable gyrotron backward wave oscillator (gyro-BWO) in the frequency range near 140 GHz. Voltage tunability is an important feature of the gyro-BWO for application as a fast tuning source for driving high power free electron lasers or cyclotron autoresonance maser amplifiers. The gyro-BWO operated in an overmoded cylindrical waveguide structure in the TE_1,2 mode. The electron beam source was a Pierce-wiggler gun producing an 80 kV, 6.2 A beam. Frequency tuning with voltage between 134 and 147 GHz was achieved in the TE_1,2 mode with constant magnetic field. However, this tuning was found to be discontinuous. Output powers of up to 2 kW and 2% efficiency were found, significantly below theoretical predictions for a cold beam. The theoretical beam velocity spread was modeled by a 3D beam transport code. The code results show that space charge forces, coupled with the wiggler-induced helical motion and the short cyclotron wavelength of the beam, produce large increases in velocity spread in the magnetic compression region. A beam with smaller velocity spread would be needed to make the gyro-BWO operate at the desired efficiency.     

双波段相对论返波振荡器模拟研究

 提出了一种采用单电子束实现C波段和X波段微波同时输出的新型相对论返波振荡器,该器件的束波作用区为中间用渐变段隔开的两段盘荷结构。使用Karat软件进行了2.5维全电磁粒子数值模拟,在工作电压为1 MV,电流为8 kA,导引磁场为3 T的条件下,输出微波功率大于1 GW,功率效率约为15%,输出的微波频率分别为5.42 GHz和9.58 GHz,二者频谱幅度相差2.17 dB,模式为TEM模。     

声脉冲法空间电荷测量系统的研究

气体中空间电荷的分布与电晕放电的机理紧密相关, 获取电晕放电过程中空间电荷分布对深入研究电晕放电起始、自持过程有着重要作用, 但是如何准确获得电晕放电过程中的空间电荷分布一直是国际上尚未解决的难题. 本文基于声脉冲法提出一种电场信号解耦算法, 推导了空间电荷在声场中被调制产生的电场信号与声脉冲信号和空间电荷密度之间的数值关系, 讨论了不同测量情况下声发射系统的设计要求; 搭建了一套可用于实时测量针板电极电晕放电空间电荷分布的非接触式测量系统, 该系统主要包括声脉冲发生模块、空间电荷模块及电场信号解耦算法模块. 运用该系统实现了声脉冲激发作用下电场信号的测量, 通过提出的电场信号解耦算法得到了空间电荷密度, 对其测量结果与电晕电流法测量结果进行比较, 验证了电场信号解耦算法的有效性. 该算法可以应用于空间电荷一维、二维和三维测量系统中.     

大功率太赫兹返波管振荡器设计北大核心CSCD

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器,通过对慢波结构的精心设计,使电子束动能得到充分提取,实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280keV和320A的条件下,当引导磁场强度为3T时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为121.8GHz、功率为13MW的太赫兹波输出,器件的束波转换效率约为14.5%。     

650 GHz正弦波导返波管的模拟计算

提出了一种利用正弦波导慢波结构设计的太赫兹频段大功率返波管的新方案。3维粒子模拟研究结果显示:在20 kV的工作电压和5 mA的驱动电流下,该返波管在645.9 GHz频率处将具有1.55 W的峰值功率输出,互作用效率为1.55%,频谱纯净,输出模式为TE10模。通过在15～25 kV之间进行电压调谐,可获得80 GHz的调谐带宽,且峰值输出功率都在1 W以上。     

分布损耗加载回旋行波管多模稳态注波互作用理论与比较证实

基于目前国际上实验研究的均匀介质加载和周期介质加载结构,建立了一种分布式损耗加载回旋行波管(gyro-TWT)多模稳态注波互作用理论.利用这一理论,以TE01模式基波gyro-TWT注波互作用为例,将Ka和W波段的理论结果与实验和软件仿真进行比较,以证实理论的合理性.     

Theoretical models for designing a 220-GHz folded waveguide backward wave oscillator

In this paper,the basic equations of beam-wave interaction for designing the 220 GHz folded waveguide(FW)backward wave oscillator(BWO) are described.On the whole,these equations are mainly classified into small signal model(SSM),large signal model(LSM),and simplified small signal model(SSSM).Using these linear and nonlinear one-dimensional(1D) models,the oscillation characteristics of the FW BWO of a given configuration of slow wave structure(SWS) can be calculated by numerical iteration algorithm,which is more time efficient than three-dimensional(3D)particle-in-cell(PIC) simulation.The SSSM expressed by analytical formulas is innovatively derived for determining the initial values of the FW SWS conveniently.The dispersion characteristics of the FW are obtained by equivalent circuit analysis.The space charge effect,the end reflection effect,the lossy wall effect,and the relativistic effect are all considered in our models to offer more accurate results.The design process of the FW BWO tube with output power of watt scale in a frequency range between 215 GHz and 225 GHz based on these 1D models is demonstrated.The 3D PIC method is adopted to verify the theoretical design results,which shows that they are in good agreement with each other.